Brevet FR2625367A1 — publié le 19890630

La présente invention concerne une bobine de haute fréquence pour l'excitation d'une décharge à plasma et, plus particulièrement, une bobine HF perfectionnée pour exciter un plasma produisant une lumière visible dans une lampe sans électrodes de décharge de haute intensité et ayant une forme permettant un blocage réduit du flux lumineux provenant de la lampe. Il est bien connu que la lumière visible peut être produite par un plasma à décharge excité par un courant HF. Le courant HF est fourni par une bobine, généralement à l'extérieur de la lampe dans laquelle la décharge est exci- tée, bobine qui doit non seulement avoir un couplage satis- faisant avec le plasma de la décharge, mais encore présenter une faible perte résistive HF et avoir de petites dimensions physiques pour permettre à la plus grande partie de la lumière, libérée par la décharge, d'être utilisée et de ne pas être bloquée par la bobine elle-même. Une bobine d'excitation a généralement la forme d'un long solénoïde, étant obtenue à partir de spires en tube de cuivre, qu'on utilise couramment dans le refroidissement à eau, pour exci- ter les chalumeaux à plasma employés dans la fabrication des - 2 - fibres optiques, à croissance cristalline, etc... L'art antérieur, tel qu'il est représenté par exemple par les brevets des Etats-Unis d'Amérique 3 860 854 (bobine en forme de coupe); 3 763 392 (solénoïde court); 3 942 058 et 3 943 404 (petite lampe à décharge de haute intensité à l'extrémité d'un câble coaxial), a dans tous les cas une faible efficacité optique et présente des pertes en bobine qui peuvent être réduites. Selon la présente invention, une bobine d'excitation pour stimuler un plasma de décharge à haute intensité dans une lampe à décharge sans électrodes com- prend: au moins une spire d'un conducteur disposé générale- ment sur la surface d'un tore ayant une section en coupe pratiquement rh6mboïde ou en forme de V de chaque coté de l'axe de la bobine. La bobine peut être sensiblement symé- trique autour d'un plan passant par les maxima du toro de. Le rayon principal de la bobine est tel que la lampe peut être insérée dans son intérieur de façon à induire un arc à décharge à plasma toro de dans le même plan à l'intérieur de la lampe, lorsque la bobine est connectée à une alimentation à haute fréquence (HF). Dans un mode de réalisation actuellement préféré, on utilise une adaptation de l'impédance par réactance à prise (capacitance ou inductance) entre la bobine et l'alimentation. On peut utiliser une bobine équilibrée en deux parties. De préférence, la plus grande partie possible de la bobine d'excitation doit sembler être au double du rayon principal du tore de l'arc, pour obtenir un couplage élevé. Par conséquent, la présente invention a pour objet une bobine d'excitation perfectionnée pour stimuler un plasma de décharge à arc de haute intensité dans une lampe à décharge sans électrodes. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: -3- figure la, une vue en plan d'une lampe à décharge de haute intensité et d'une bobine d'excitation à spire unique, pouvant être utilisée pour l'appréciation des prin- cipes de la présente invention, figure lb, une vue en coupe de la combinaison lampe/bobine de la figure la, et représentant des emplace- ments supplémentaires pour la bobine d'excitation, figure lc, une vue de côté d'une partie d'une lampe à décharge de haute intensité, illustrant une configu- ration possible de la bobine d'excitation à spires mul- tiples, figure 2, une vue de côté d'une partie d'une lampe à décharge de haute intensité et un mode de réalisation actuellement préféré d'une bobine d'excitation selon la pré- sente invention, figure 2a, un schéma du circuit formé par la bobine d'excitation et des éléments auxiliaires de la figure 2, figure 3, une vue de côté d'une partie d'une autre lampe à décharge de haute intensité et d'un autre mode de réalisation actuellement préféré pour la bobine d'excitation de la présente invention, figure 3a, un schéma du circuit électrique de la bobine d'excitation, et d'éléments auxiliaires de la figure 3, et figures 4, 4a et 4b, respectivement, un diagramme, une vue schématique de côté, et une vue en plan d'une.autre bobine d'excitation à spires multiples, ayant actuellement la préférence, selon la présente invention. En liaison tout d'abord avec la figure la, une lampe 10 à décharge de haute intensité comprend une enve- loppe tubulaire 11 renfermant un volume 12 contenant une certaine quantité d'au moins un gaz dans lequel un plasma 14 d'arc de décharge peut être produit en réponse au passage d'un courant de haute fréquence (HF) dans une bobine -4- d'excitation 16 placée autour de l'extérieur de l'enveloppe 11. La circulation du courant HF répond à une source d'excitation 18 fournissant une tension Vab entre les extré- mités 16a et 16b de la bobine. En général, le plasma 14 a la forme d'un tore, avec un rayon mineur r', établissant l'épaisseur du plasma, et un rayon majeur r, déterminant les dimensions du tore. La bobine d'excitation 16 est un anneau plat à spire unique avec un plan parallèle au plan du rayon majeur r du tore de l'arc. En liaison maintenant avec la figure lb, on a constaté que le meilleur endroit pour la bobine 16 à une spire, pour le couplage à un anneau 14 de plasma conducteur de décharge de petit diamètre, est tel que la boucle 16 de la bobine et la boucle 14 du plasma se trouvent dans le même plan. Ainsi, la bobine d'excitation 16 est située dans le plan 14p coupant la section transversale de l'anneau de plasma (elle-même représentée par la zone hachurée). Pour un tore ayant un rayon moyen r, on obtient un coefficient de couplage d'environ 0,36 entre ce tore et une bobine 16 d'excitation à une spire ayant un rayon égal au double du rayon du tore du plasma, c'est à dire un rayon égal à 2r, et se trouvant dans le plan 14p. On a également trouvé qu'une autre bobine d'excitation 16' à une spire, située dans le plan du tore et ayant un rayon égal à 3r, aura un coeffi- cient de couplage d'environ 0,173; une bobine d'excitation 16" à une seule spire ayant le même rayon r que le plasma de décharge et ayant son plan parallèle au plan 14 p du tore du plasma, mais à une distance r du dessus, aura un coeffi- cient de couplage d'environ 0,264, alors qu'une autre bobine d'excitation 16"' à une seule spire ayant le même diamètre se trouvant dans le même plan, mais avec une distance de séparation 2r par rapport au plan du tore 14p, a un coeffi- cient de couplage d'environ 0,056. Par conséquent, il est extrêmement avantageux de placer la totalité de la bobine d'excitation à la position donnant le couplage le plus -- 5 -- élevé, c'est à dire dans le plan du tore et avec un rayon moyen 2r. En général, la bobine d'excitation présente un nombre de spires N supérieur à un, de sorte que la bobine à spires multiples doit toujours être positionnée dans le plan optimum, et avec la bobine ayant un diamètre minimum absolu supérieur à la côte extérieure E de la paroi de l'enveloppe 11 du tube à décharge. On verra qu'on a un blocage minimum du tube 11 de production de la lumière. si les multiples spires de la bobine d'excitation 16 ont l'étendue la plus petite possible dans la direction perpendiculaire au plan 14p du tore du plasma (ici, des cotes minimisées dans le plan vertical, pour un tore 14 disposé horizontalement). Les propriétés résistives de la bobine doivent être simulta- nément minimisées, pour obtenir des pertes minimum, alors que les propriétés inductives de la bobine d'excitation doi- vent en même temps être telles qu'un accord et une adapta- tion d'impédance corrects de la bobine d'excitation et de son générateur 18 peuvent être effectués à la fréquence HF associée, par exemple à l'une des fréquences standard ISM (par exemple 13,56 MHz). Une configuration possible pour la bobine, ayant tendance à satisfaire les critères précédents, est celle de la bobine 20 en figure lc. Dans cette figure, la bobine 20 comporte une multitude' de bandes conductrices placées sur la surface extérieure d'un tore imaginaire ayant un rayon majeur r1 égal à environ 2r, et un rayon mineur r2 d'une valeur inférieure à la différence entre le rayon r1 et la somme du rayon extérieur du tube de la lampe (E/2) et de l'épaisseur t des éléments formant les spires de la bobine. On verra que non seulement cette bobine à multiples spires (illustrée dans cette vue en coupe, pour N=8) est particu- lièrement difficile à fabriquer, mais encore qu'elle est telle que la chute importante de la tension, laquelle doit être maintenue entre les extrémités opposées 20a et 20b de la bobine (qui peut généralement être de l'ordre d'environ -6- 1 000 volts), nécessite une séparation importante entre les parties contiguës 20-1' à 20-8 des spires; cette séparation n'est pas facilement réalisable, en particulier si l'épaisseur t des éléments est au moins suffisante pour que chaque spire (réduite à un fil rond) soit assez grande pour réduire les pertes HF en profondeur pelliculaire, et qu'un angle sous-tendu suffisamment petit, à la décharge, soit fourni, afin de minimiser le blocage de la lumière. On verra également qu'il doit y avoir un espacement suffisant entre le plasma 14 de la décharge et la bobine 20 pour maintenir un gradient de température raisonnable entre la température d'environ 5 000 K du plasma 14 et la température ambiante (environ 300 K) près de la bobine 20, et encore permettre à l'enveloppe 11 renfermant l'arc de se trouver à une tempé- rature raisonnable. Même avec une bobine 20 formée en ruban, avec des rubans d'une épaisseur t d'environ 0,02 mm, une telle bobine ne permet pas d'obtenir des coûts de fabri- cation de faible valeur. En liaison maintenant avec la figure 2, on préfère actuellement une lampe 10' dans laquelle le plasma de décharge 14 produisant la lumière est excité à un endroit contigu à la surface intérieure 11b de l'enveloppe 11, la surface intérieure 22b d'une enveloppe cylindrique 22 de positionnement étant fixée à la surface extérieure 11a de l'enveloppe renfermant l'arc. Selon un mode de réalisation actuellement préféré de la présente invention, la bobine d'excitation 24 est disposée autour de la surface extérieure 22a de l'enveloppe extérieure sous forme d'une multitude N de spires (ici N=8) disposées sur les côtés inclinés 24'a et 24'b d'un mandrin imaginaire de formation 24', de forme cir- culaire dans le même. plan 24'p que celui du tore 14 du plasma de la décharge, et ayant une section transversale sensiblement rhomboïde avec chacune des surfaces inclinées 24'a et 24'b formant un angle e (inférieur à environ 80 et supérieur à environ 10 ) avec le plan central 24'p. Avanta- - 7 - geusement, on peut considérer que les conducteurs 24-1 à 24- 8 et 24-1' à 24-7' des spires de la bobine sont sur la sur- face d'un tore ayant une section transversale en forme de V, o le sommet de l'angle e peut se trouver au centre 11c de l'enveloppe renfermant l'arc. Le bord intérieur 24'c du man- drin est espacé d'une valeur légèrement supérieure à la dis- tance C séparant les spires les plus à l'intérieur, ici 24-4, 24-5, et le milieu 24-4' des spires. Cette côte C est supérieure à la dimension A de la surface intérieure 11b de l'enveloppe renfermant l'arc et à la côte B de la surface extérieure 22a de l'enveloppe extérieure 22. Ainsi, l'extrémité 24a de la bobine commence à l'emplacement radia- lement le plus éloigné de la surface supérieure inclinée 24'a, atteint une demi spire à une position radialement opposée 24-1', et achève un tour complet à une position 24- 2. Une position 24-2' à un tour et demi est suivie d'une position 24-3 de deux tours complets, d'une position 24-3' de deux tours et demi et d'une position 24-4 de trois tours complets. Le point milieu de la bobine, le long de la sur- face intérieure du "nez" 24'c, se trouve à la position 24- 4'. Le 5ème tour complet a lieu à la position 24-5, avec les positions correspondant à 5,5; 6; 6,5; 7; 7,5 et 8 tours se trouvant aux positions respectives 24-5', 24-6, 24-6'j 24,7, 24-7' et 24-8. En liaison maintenant avec la figure 2a, l'inductance L de la bobine 24, entre les extrémités 24a et 24b de la bobine, peut être accordée à la résonance avec une capacitance totale CT constituée de première et seconde capacitances 26 et 28 connectées en série. Le rapport de la capacitance 26 et de la capacitance 28 est ajusté, simulta- nément aux réglages de la résonance, de façon que l'impédance d'attaque entre les bornes 10'a et 10'b soit adaptée à l'impédance d'attaque du générateur alimentant la bobine d'excitation, selon une manière connue dans la tech- nique. - 8 - En liaison maintenant avec les figure 3 et 3a, dans un autre mode de réalisation de lampe 10" ayant actuel- lement la préférence, la bobine d'excitation 30 à section en forme de V, spires multiples, comporte un seul condensateur résonnant 32, de valeur CT, monté entre les extrémités 30a et 30b de la bobine, avec la bobine ayant une prise à un point 30c pour l'adaptation d'impédance avec le générateur (non représenté). Dans les deux modes de réalisation 24 et , il y a un espacement considérable entre spires, même si la bobine est constituée d'un tube ayant un diamètre assez grand, par exemple d'un tube de cuivre de 3,2 mm (ayant un grand diamètre intérieur de manière à faciliter la circu- lation d'un fluide dissipant la chaleur). Les extrémités opposées 24a, 24b de la bobine ou 30a, 30b sont séparées de manière appropriée pour supporter les centaines de volts du potentiel HF. La surface arrondie du fil/tube est présentée au flux magnétique qui n'existe que sur l'extérieur de la bobine; les dimensions du fil ou tube peuvent être modi- fiées pour changer cette surface. De plus, la bobine est repliée loin de la décharge de manière à réduire le blocage de la lumière, alors que le plus grand nombre de spires pos- sible est situé à proximité du plan de la décharge, afin de rendre maximum le couplage HF-plasma. En même temps, le potentiel maximum dans la bobine se trouve aux points les plus éloignés de la décharge, de manière à minimiser la décharge dans le mode E et à renforcer l'excitation dans le mode H. On verra qu'il est assez facile de fabriquer un type d'enroulement qui puisse être utilisé pour obtenir une telle bobine avec un espacement entre spires adjacentes sensible- ment le même pour toutes les positions des spires. On a trouvé que le couplage pour une bobine de N=8 spires en tube de cuivre de 3,2 mm peut être de l'ordre de 0,2, pour le couplage à une lampe ayant une enveloppe renfermant l'arc d'un diamètre de l'ordre de 20 mm. En liaison maintenant avec les figures 4, 4a et - 9 - 4b, dans encore un autre mode de réalisation préféré 10"' de l'invention, une bobine d'excitation 34 a une prise centrale 34c située sensiblement entre les extrémités opposées 34a et 34b de la bobine, de sorte que la spire centrale est coupée et ramenée à un plan de masse 33 avec deux parties séparées de fil 34c-1 et 34c-2. Cela fournit deux trajets séparés de conduction de la chaleur jusqu'au radiateur de chaleur du plan de masse, afin d'extraire la chaleur de la bobine et de réduire, ou d'éliminer, la nécessité de faire appel à un refroidissement artificiel. La bobine 34 à spires multiples, ayant une section transversale en V, est accordée par un simple condensateur de résonance 36, et est alimentée à un point 34d, à partir d'un câble coaxial 38 connecté au géné- rateur. Comme on le voit le mieux en figure 4b, la bobine à trois spires est divisée en deux bobines de 1,5 spire, avec la moitié supérieure s'étendant entre l'extrémité supérieure 34a de la bobine et le premier fil de masse 34c-1 et la moi- tié inférieure de la bobine totale s'étendant entre l'extrémité supérieure du second fil de masse 34c-2, au droit du point 34d de la prise inductive, jusqu'à l'extrémité inférieure 34b de la bobine. Alors qu'on a décrit à titre d'exemple plusieurs variantes de la bobine d'excitation ayant actuellement la préférence, laquelle comprend un pourcentage aussi élevé que possible de ses multiples spires dans le plan horizontal, ou a proximité de ce plan, passant par le tore du plasma, ou sur la surface d'un anneau imaginaire en forme de V, le technicien remarquera qu'on peut apporter de nombreuses modifications et variantes. - 10 - REVENDICATIONS 1. Bobine d'excitation (24; 30; 34), pour stimu- ler un plasma (14) de décharge de haute intensité dans une lampe à décharge sans électrodes, caractérisée en ce qu'elle comprend: au moins une spire d'un conducteur (24-1...; -1...; 34-1...) disposé généralement sur la surface exté- rieure-d'un tore imaginaire (24') ayant une section trans- versale sensiblement en forme de V, et un moyen (26, 28; 32; 36)pour accorder l'inductance du conducteur toroidal à une fréquence de réso- nance désirée. 2. Bobine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un moyen pour adapter l'impédance du conducteur toro dal à une valeur désirée. 3. Bobine selon la revendication 2, caractérisée en ce que le moyen d'adaptation de l'impédance comprend le moyen d'accord. 4. Bobine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la section transversale du tore est pratiquement symétrique par rapport à un plan (24'-b) passant par les maxima du tore conducteur. 5. Bobine selon la revendication 4, caractérisée en ce que le tore conducteur comprend une multitude N de spires du conducteur. 6. Bobine selon la revendication 5, caractérisée en ce que N=8. 7. Bobine selon la revendication 5, caractérisée en ce que les surfaces inclinées (24'a, 24'b) de la section transversale semblent se fondre pratiquement au centre géo- métrique de la bobine. 8. Bobine selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle contient un nombre pratiquement entier, N, de spires. - 11 - 9. Bobine selon la revendication 8, caractérisée en ce que les surfaces inclinées de la section transversale du tore semblent se fondre pratiquemment au centre géomé- trique de la bobine. 10. Bobine selon la revendication 9, caractérisée en ce que le point médian du conducteur de la bobine est situé à l'intérieur de l'angle(0) formé par les surfaces inclinées de la section transversale de la.bobine. 11. Bobine selon la revendication 4, caractérisée en ce que chaque surface inclinée de la section transversale de la bobine fait un angle, par rapport au dit plan, d'au moins 10 et non supérieur à 80 . 12. Bobine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle contient une multitude de spires. 13. Bobine selon la revendication 12, caractérisée en ce que l'espacement entre spires est pratiquement le même dans toutes les positions des spires. 14. Bobine selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un plan de masse (33) relié électriquement à au moins un point de la longueur du conduc- teur de la bobine. 15. Bobine selon la revendication 14, caractérisée en ce que le plan de masse est relié pratiquement au point milieu du conducteur dé la bobine. 16. Bobine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le conducteur a une section transversale de forme ronde. 17. Bobine selon la revendication 16, caractérisée en ce que le conducteur est creux. 18. Lampe, caractérisée en ce qu'elle comprend: un tube à décharge de haute intensité ayant une surface extérieure, une bobine d'excitation placée à un endroit contigu à la surface extérieure du tube pour produire un plasma de l'arc de décharge dans le tube, la bobine ayant au - 12 - moins une spire d'un conducteur disposée généralement sur la surface extérieure d'un tore imaginaire ayant une section transversale en forme de V. 19. Lampe selon la revendication 18, caractérisée en ce que les surfaces inclinées de la section transversale du tore semblent se fondre à un point situé à l'intérieur de l'enveloppe du tube à décharge de haute intensité. 20. Lampe selon la revendication4g, caractérisée en ce que le point de fusion semble être pratiquement au centre du plasma de l'arc de la décharge.