Brevet FR2631508A1 — publié le 19891117

L'invention concerne des ballasts électroniques pour lampes fluorescentes, et plus particulièrement un circuit de ballast destiné à fournir du courant actif à des lampes fluorescentes d'une manière présentant un facteur de puissance proche de l'unité à la ligne d'alimentation en énergie. Il est connu dans la technique que des ballasts électroniques imposent une charge principalement capacitive à la ligne d'alimentation en courant alternatif qui fournit l'énergie à la lampe. Etant donné que la tension d'amorçage de la lampe est habituellement supérieure à la tension de la ligne, la lampe est habituellement couplée à un circuit possédant des réactances à la fois inductives et capacitives qui coopèrent pour renforcer la tension de la ligne jusqu'à ce qu'elle soit suffisamment élevée pour allumer la lampe. Etant donné que ces réactances nuisent au facteur de puissance du circuit de la lampe et imposent, par conséquent, des pénalisations économiques à l'usager, on a consacré beaucoup d'efforts à la conception de circuits de lampe ayant des facteurs de puissance aussi proches que possible de l'unité. L'invention concerne un circuit et un procédé nouveaux pour fournir une tension d'amorçage et un courant actif à des lampes fluorescentes, tout en maintenant un facteur de puissance proche de l'unité. Brièvement décrit, le circuit comprend des premiers moyens à bornes destinés à coupler le circuit à une source de courant alternatif ayant une certaine fréquence; des seconds moyens à borne destinés à coupler électriquement le circuit à la lampe; des moyens destinés à générer un signal périodique de référence ayant une fréquence sensiblement supérieure à la fréquence du courant alternatif; des moyens commutables d'emmagasinage d'énergie qui, en réponse au signal de référence, alternativement emmagasinent de l'énergie provenant de la source d'énergie durant un premier 2 6 3 1 5 0 8 intervalle et déchargent au moins une partie de cette énergie dans la lampe durant un second intervalle; et des moyens qui, en réponse à des fluctuations de la tension alternative, font varier le rapport des premier et second intervalles afin de maintenir globalement constante l'amplitude du courant de la lampe. En fonctionnement, le rapport cyclique des moyens commutables d'emmagasinage d'énergie réagit avantageusement à un certain nombre de conditions con- trôlées, comprenant des variations du courant de la lampe et des variations de la tension de la source d'énergie afin de faire varier la quantité d'énergie emmagasinée pendant le premier intervalle et déchargée dans la lampe pendant le second intervalle. Par conséquent, le courant de la lampe est maintenu globalement constant lors de fluctuations de la tension d'alimentation, telles que des ondulations de courant alternatif qui sont présentes après le redressement de la tension alternative. L'amplitude du courant d'alimentation d'entrée est détectée par les moyens commutables d'emmagasinage d'énergie et appliquée en tant que signal de réaction pour bloquer la phase du courant d'entrée sur la phase de la source d'énergie en ajustant le rapport cyclique en réponse à des erreurs entre les deux phases. Par conséquent, la lampe et le circuit de ballast sont caractérisés par un facteur de puissance égal à l'unité, ce que souhaitent a la fois l'usager et la compagnie de service. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique est une represen- tation schématique d'un circuit pour l'amorçage et le fonctionnement d'une lampe fluorescente selon l'invention. En référence à la figure, un circuit construit conformément à l'invention est représenté couplé à deux lampes fluorescentes 12 connectées en série par des bornes 2 6 3 1 5 0 8 26, 28 du circuit. Le circuit illustré comprend une partie 24 formant ballast, une partie redresseur 10 destinée à constituer une source d'énergie pour le circuit et la lampe 12, et un générateur 14 de dents de scie à 50 kHz destiné à générer un signal périodique de référence ayant une fréquence sensiblement supérieure à la fréquence du courant alternatif. La partie ballast 24 compense l'impédance changeante des lampes. On sait généralement, dans la technique, que l'impédance interne d'une lampe fluorescente décroît lorsque le courant de la lampe croit. Cette caractéristique négative de l'impédance provoquerait une élévation rapide et continue du courant de la lampe une fois celle-ci allumée, ayant pour effet de la griller immédiatement. En conséquence, un ballast présente une résistance de compensation qui limite le courant de la lampe à une valeur comprise dans sa plage de fonctionne- ment, ce qui maximise sensiblement la durée de vie de la lampe. La partie redresseur 10 du circuit est un redresseur en pont double alternance. Le redresseur en pont illustré reçoit une tension alternative efficace de ligne de 115 volts, 60 Hz, ou 220 volts, 50 Hz, d'une source d'énergie (non représentée) et convertit cette tension d'entrée en une tension continue ayant une composante d'ondulation alternative. La composante d'ondulation possède une amplitude maximale d'environ 160 volts, et une fréquence double de la fréquence de la tension de la ligne, soit 120 Hz ou 100 Hz. Il est évident que d'autres valeurs de la tension de ligne, avec d'autres fréquences, convien- nent au prix de modifications appropriées, bien connues des concepteurs des circuits. La tension de sortie de la partie redresseur 10 est appliquée à deux inductances LI, L2 connectées en série. Le noeud commun entre les inductances est couplé en commun par un condensateur C4. La combinaison des inductan- ces LI, L2 et du condensateur C4 élimine par filtrage les composantes de commutation & haute fréquence de la forme d'onde d'entrée. Comme décrit plus en détail ci-dessous, la partie restante du circuit illustré fonctionne de façon à, alternativement, emmagasiner de l'énergie provenant de la partie redresseur dans un condensateur C5 pendant un premier intervalle, et décharger au moins une partie de cette énergie dans les lampes 12 durant un second inter- valle. Le rapport de ces deux intervalles est modifié par variation du rapport cyclique d'un transistor à effet de champ Q1, à savoir le rapport de son temps de conduction à son temps de blocage. Le rapport cyclique du transistor à effet de champ Q1 est lui-même commandé par un modulateur 20 d'impulsions en largeur qui est sensible à un certain nombre de conditions du circuit. Le modulateur 20 d'impul- sions en largeur comprend un comparateur 22 dont la sortie est connectée à la base d'un transistor NPN Q2. Le collecteur du transistor Q2 est couplé.à la sortie de la partie redresseur 10, tandis que son émetteur est couplé à la grille du transistor à effet de champ Q1. L'entrée à inversion du comparateur 22 reçoit le signal de référence en dents de scie provenant du générateur 14 de référence. De plus, l'entrée à inversion du comparateur est connectée électriquement en 25, à travers une résistance R20 à un premier côté de la paire de lampes 12 pour détecter la tension E2 de la lampe. L'entrée de non-inversion du comparateur 22 est couplée électriquement par l'intermédiaire de deux résistances R8, Ri montées en série au côté du ballast 24 opposé à celui des lampes 12. L'entrée de non-inversion ou entrée directe du comparateur est également couplée électriquement à travers une résistance R9 à la sortie de 263150$ la partie redresseur 10. L'entrée de non-inversion du comparateur 22 est couplée par l'intermédiaire d'une résistance Ri0 à la sortie filtrée E1 du redresseur à travers la résistance. R9. De plus, l'entrée de non-inversion du comparateur 22 est couplée à travers la résistance R10 au commun au moyen de résistances R8 et Ri connectées en série afin de détecter le courant d'entrée comme décrit cidessous. La tension E3 appliquée au comparateur 22'par l'intermédiaire de la résistance RlO est donc égale à la somme des tensions représentatives de la tension E1 d'entrée instantanée et du courant de la lampe. Le courant continu d'entrée est détecté par l'intermédiaire du couplage de l'entrée à non-inversion du comparateur avec la résistance RI afin de capter la tension aux bornes de la résistance. Etant donné que le courant passant dans la branche de retour du pont de diodes est égal au courant passant dans la branche positive (mais de polarité opposée), la tension à travers Ri est proportion- nelle au courant passant dans la branche positive. Le noeud commun entre les résistances R8 et R1 est couplé au côté de retour du pont de diode, le commun du circuit étant couplé au côté de retour du pont de diode à travers la résistance RI. Par conséquent, le commun du circuit flotte audessus du côté de retour à un niveau globalement équivalent à la tension à travers la résistance RI. La tension à ce noeud commun est donc commandée de façon à être négative, par rapport au commun, lorsque le courant continu passant dans la branche de retour du pont de diode augmente à partir de zéro. Avant l'amorçage des lampes, seul un signal proportionnel à la tension de ligne redressée E1 est appliqué à l'entrée de non-inversion du comparateur 22. Etant donné que la valeur maximale de la tension E1 est d'environ 160 volts, les valeurs des résistances R8 et R9 sont choisies de façon à établir une tension maximale E3 d'environ 1 volt. Avant l'allumage des lampes 12, le comparateur 2'2 compare l'amplitude de la forme d'onde en dents de scie à son entrée à inversion avec le signal appliqué à son entrée à non-inversion, et il ne produit un signal positif de sortie que lorsque le signal en dents de scie est le plus grand des deux. Le signal en dents de scie, qui possède une valeur crête à crête d'environ 200 mV, est suffisamment grand, pendant environ 50% de son cycle, pour commander la sortie du comparateur afin qu'elle soit positive, ce qui rend conducteur le transistor -Q2. Le transistor Q2 étant conducteur, un courant continu circule par l'intermédiaire de la jonction collecteur-émetteur du transistor vers la grille du transistor à effet de champ Q1, en passant par la résis- tance R13. Le transistor Q1 devient conducteur, couplant l'extrémité de sortie de l'inductance L2 au commun et polarisant en sens inverse la diode D2. La diode D2 étant 2Q polarisée en sens inverse, elle empêche le condensateur c5 de se décharger vers le commun à travers le transitor à effet de champ Q1. Cependant, la tension E2 emmagasinée dans le condensateur C5 est appliquée en tant que signal de réaction négative au comparateur 22 à travers une résis- tance R14 et un condensateur C10. Du fait de "l'inertie" inductive de l'induc- tance Ll, l'effet de la commutation entre les états de conduction et de blocage du transistor à effet de champ Q1 est de cumuler la tension emmagasinée dans le condensateur C5 jusqu'à une valeur supérieure à la tension continue redressée E1. En particulier, la tension E2 aux bornes du condensateur est liée à la tension continue redressée E1 de la manière suivante: (Equation 1) E2 = El/(1-rapport cyclique) o: rapport cyclique = % du temps de conduction du transis- tor à effet de champ Q1. Par conséquent, le rapport cyclique initial de % du transistor à effet de champ Q1 est suffisant pour emmagasiner une énergie croissante dans le condensateur C5 qui établit rapidement un niveau de tension suffisant pour amorcer les lampes. Une fois que les lampes ont été amorcées, la tension, liée au courant, des lampes est développée aux bornes de R1 et appliquée à l'entrée à noninversion du comparateur, et est comparée à la tension E1 pour produire un signal d'erreur à moins que les deux tensions soient en phase. Le comparateur 22 compare le signal d'erreur à la forme d'onde en dents de scie et commande les composants Q1, Q2 et C5 du circuit de façon que la valeur du courant continu d'entrée (détectée sous la forme d'une tension à son point de connexion B sur Ri) soit de polarité opposée à celle de la tension de ligne continue redressée E1. L'inductance Li, le transistor à effet de champ Q1 et le condensateur C5 peuvent être considérés comme constituant un survolteur qui réagit au comparateur 22. Le comparateur 22 et le circuit survolteur fonctionnent ensemble à la manière d'un amplificateur simple de correction d'erreur dans lequel E3 est un signal d'erreur et E2 est le signal de sortie qui est renvoyé en tant que signal d'entrée négatif à l'entrée de l'amplificateur de correction d'erreur. Une variation de E3 de -200 mV à + 200 mV a pour résultat de faire passer de façon correspondante le rapport cyclique du transistor à effet de champ Q1 de 0% à 100%. Par conséquent, un changement du rapport cyclique est imposé à un rythme de 0,25% de variation de la valeur en mV de E3. Le signal d'erreur E3 est la tension nette résul- tant de toute différence de phase entre les valeurs d'ondulation du courant continu d'entrée et de la tension continue d'entrée. Etant donné que, comme indiqué dans l'équation 1 ci-dessus, la valeur de sortie E2 de l'ampli- ficateur de correction d'erreur est liée à la tension d'entrée E1 par le rapport cyclique du transistor à effet de champ Q1, le rapport cyclique se règle de façon à minimiser "l'erreur" entre le courant d'entrée et la tension d'entrée, minimisant ainsi toute différence de phase entre la tension représentative du courant aux bornes de la résistance Ri et la tension d'alimentation détectée à la jonction entre les résistances R8 et R9 en forçant le courant d'alimentation d'entrée à rester en phase avec la tension d'alimentation d'entrée, le circuit de ballast et la lampe présentant alors un facteur de puissance essen- tiellement égal à l'unité pour la ligne d'entrée. La nature autorégulante du circuit décrit évite la nécessité d'inductances, de transformateurs et de circuits accordés en série. Par conséquent, la plus grande partie du circuit illustré peut être conçue par l'utilisa- tion de techniques d'intégration à grande échelle avec les avantages de coût qui en résultent. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au circuit décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit pour fournir du courant actif à une lampe fluorescente (12), caractérisé en ce qu'il comporte des premiers moyens à bornes pour coupler le circuit à une source de courant alternatif d'une certaine fréquence, des seconds moyens à bornes (26, 28) pour coupler électrique- ment le circuit à la lampe, des moyens (14) destinés à générer un signal périodique de référence ayant une fréquence sensiblement supérieure à la fréquence du courant alternatif, un moyen commutable (C5) d'emmagasinage d'énergie qui, en réponse au signal de référence, alterna- tivement emmagasine de l'énergie provenant de la source pendant un premier intervalle et décharge au moins une partie de cette énergie dans la lampe pendant un second intervalle, et un moyen (22) qui, en réponse à des fluctuations de la tension alternative, fait varier le rapport des premier et second intervalles afin de maintenir globalement constante l'amplitude du courant de la lampe. 2. Circuit pour fournir du courant actif à une lampe fluorescente (12), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens survolteurs (Ll, Q1, C5) pouvant être connectés à-une source d'énergie d'entrée pour produire une tension de sortie plus grande que la tension d'entrée, la source d'énergie d'entrée produisant une tension et un courant d'entrée ayant entre eux une relation de phase d'entrée, les moyens survolteurs comprenant un moyen (Q1) de commuta- tion ayant deux états de commutation pour faire varier de façon réglable la tension de sortie en fonction du rapport de la durée des états, des moyens à bornes de sortie (26, 28) destinés à coupler le circuit à une ou plusieurs lampes, un moyen à condensateur (C5) qui, en réponse-à la tension de sortie, emmagasine de l'énergie électrique pendant l'un desdits deux états de commutation et décharge au moins une partie de l'énergie à travers les moyens à bornes, dans la lampe pendant l'autre desdits états de commutation, et un moyen comparateur (22) destiné à commander le rapport des durées des états de commutation en fonction des amplitudes de la tension et du courant de la source d'énergie d'entrée et de la tension de sortie pour bloquer le courant de la lampe essentiellement en phase avec la tension d'entrée. 3. Circuit selon la revendication 2, carac- térisé en ce que les moyens survolteurs comprennent des moyens à inductances (L1, L2) couplés à la source d'énergie d'entrée afin de maintenir la tension instantanée de sortie immédiatement après que le moyen de commutation passe du premier état au second état, et un moyen (D2) couplant les moyens à inductances au moyen à condensateur afin de permettre au courant de ne circuler que dans un sens des moyens à inductances vers le moyen à condensateur. 4. Circuit selon la revendication 2, carac- térisé en ce qu'il comporte un moyen (14) de génération d'un signal de référence couplé au moyen à comparateur afin d'établir un rapport de référence des durées des états de commutation lorsque le courant de la lampe et la tension d'entrée sont en phase. 5. Circuit selon la revendication 4, carac- térisé en ce qu'il comporte des moyens couplant la tension d'entrée au moyen à comparateur afin de faire varier. le rapport des durées des états de commutation en fonction de l'amplitude de la tension d'entrée. 6. Circuit pour fournir du courant actif à-une lampe fluorescente (12), caractérisé en ce qu'il comporte des premiers moyens à bornes pour coupler le circuit à une source de courant alternatif produisant une tension et un courant d'une certaine fréquence, des seconds moyens à bornes (26, 28) destinés à coupler électriquement le circuit à la lampe, et des moyens commutables (C5) d'emmagasinage d'énergie destinés, alternativement, à emmagasiner de l'énergie provenant de la source pendant un premier intervalle et à décharger au moins une partie de cette énergie emmagasinée dans la lampe pendant un second intervalle, les moyens commutables d'emmagasinage d'énergie étant sensibles à la différence de phase entre la tension d'entrée et le courant d'entrée de façon à faire varier le rapport des premier et second intervalles afin que le circuit et la lampe présentent un facteur de puissance sensiblement égal à l'unité. 7. Circuit selon la revendication 6, carac- térisé en ce qu'il comporte des moyens (14) destinés à générer un signal périodique de référence ayant une fréquence sensiblement plus élevée que la fréquence du courant alternatif, des moyens (RI) destinés à produire un signal d'erreur représentatif d'une différence de phase entre le courant d'entrée et la tension d'entrée, le signal d'erreur ayant une amplitude comprise entre les amplitudes maximale et minimale du signal périodique de référence, un moyen comparateur (22) ayant un premier état d'un signal de sortie lorsque le signal périodique de référence est inférieur au signal d'erreur et un second état du signal.de sortie lorsque le signal périodique de référence est supérieur au signal d'erreur, les états définissant les intervalles. 8. Ensemble, caractérisé en ce qu'il comporte un redresseur double alternance couplé à une source de courant alternatif afin de produire un signal de courant continu ayant une composante d'ondulation alternative; un moyen de filtrage destiné à réduire la composante d'ondula- tion alternative, des moyens à inductance (L1, L2) ayant leur entrée couplée au signal continu filtré et ayant une sortie, un moyen conducteur unidirectionnel (D2) destiné à conduire un courant électrique de son entrée vers sa sortie et à bloquer sensiblement tout courant circulant en sens inverse, le moyen conducteur unidirectionnel étant connecté par son entrée à la sortie des moyens à inductan- ces, une première borne de sortie (26) connectée électri- quement à la sortie du moyen conducteur unidirectionnel (D2) et conçue pour être connectée électriquement à une électrode d'une lampe fluorescente (12), un moyen à résistance variable connecté électriquement en série avec la première borne de sortie pour compenser la résistance variable de la lampe fluorescente, une seconde borne de sortie (28) conçue pour être connectée électriquement à l'autre électrode de la lampe fluorescente, l'une des première et seconde bornes de sortie couplant électrique- ment l'une des électrodes de la lampe au commun, un premier commun de commutation (Q1) qui, en réponse à un signal de commutation, couple sélectivement la sortie des moyens à inductance et l'entrée du moyen conducteur unidirectionnel au commun pour définir un premier intervalle, des moyens couplant le commun du circuit au trajet de retour du redresseur, ces moyens de couplage étant sensibles à l'amplitude du courant circulant du commun vers le trajet de retour de façon à produire une tension représentative de ce courant, et un moyen comparateur (22) qui, en réponse à l'amplitude de la tension représentative du courant et à l'amplitude du signal continu filtré, applique le signal de commutation aux moyens de commutation.