Brevet FR2638283A1 — publié le 19900427

ELECTRODES D'AMORCAGE CAPACITIF DE LAMPE HID La présente invention concerne des lampes à décharge à haute intensité sans électrode (HID) et, plus particulièrement, des électrodes nouvelles pour initialiser une décharge de plasma dans l'espace de formation de l'arc d'une lampe HID sans électrode. Il est actuellement bien connu de produire un plasma photoémetteur en forme de tore dans l'enceinte d'une lampe HID. L'entretien du plasma de l'arc d'induction dépend d'un champ électrique solénoldal sans divergence; le champ est créé par le champ magnétique variable d'une bobine d'excitation, qui a typiquement la forme d'un solénoïde. Il est nécessaire de développer un gradient de champ électrique très élevé sur le tube à arc pour amorcer la décharge de plasma; il est difficile de développer un gradient de champ électrique suffisamment élevé, en particulier dans la bobine d'excitation associée, parce que le courant dans la bobine serait prohibitivement élevé môme s'il devait être produit seulement sur une base d'impulsion. En outre, la production d'un gradient de champ électrique très élevé pourrait être impossible parce que le champ par spire de la bobine d'excitation nécessaire serait supérieure à la limite de claquage entre spire de cette bobine. Ainsi, il est difficile de prévoir des moyens d'amorçage pour des lampes HID commandées par induction, et il est aussi difficile de prévoir des moyens de réamorçage à chaud de ce type de lampe. Il est par conséquent grandement souhaitable de prévoir des moyens d'amorçage de la décharge de plasma des lampes HID, qui puissent être facilement utilisés pour des lampes typiques HID dans des conditions normales d'environnement. Selon la présente invention, une lampe à décharge à haute intensité sans électrode, dont l'enceinte est placée à l'intérieur d'une bobine d'excitation, et à l'intérieur de laquelle on doit fournir une décharge d'arc de plasma commandée par la bobine d'excitation, est munie d'une paire d'électrodes d'amorçage dont chacune est un anneau conducteur disposé contigument à l'une associée d'une paire opposée de surfaces extrêmes de l'enceinte et connectée à une extrémité opposée de la bobine d'excitation. L'application d'un signal haute tension entre la paire d'électrodes d'amorçage amène un champ électrique à se produire entre la paire d'électrodes, de grandeur et de position suffisantes pour amener la substance dans l'enceinte de la lampe à créer une décharge luminescente dans le tube à arc, en raison de la capacité de paroi du tube à arc. La décharge luminescente crée une ionisation suffisante en un emplacement convenable pour qu'une transition presque instantanée vers une décharge du solénoïde à courant élevé se produise et forme le plasma de décharge en réponse au champ normal fourni par la bobine d'excitation. Dans des modes de réalisation préférés ici, la forme en anneau de chaque électrode d'amorçage capacitif est fendue, de préférence suivant un arc opposé à la partie de l'électrode en anneau reliée à l'extrémité associée de la bobine d'excitation, pour empêcher l'électrode en anneau d'agir en tant que bobine secondaire à spire unique parcourue par des courants élevés. Des moyens bimétalliques pour éloigner les électrodes d'amorçage du tube à décharge, par suite de la réception d'énergie calorifique libérée par celui-ci, peuvent être utilisés pour augmenter la durée de vie utile du tube à décharge. En conséquence, un objet de la présente invention est de prévoir de nouvelles électrodes d'amorçage capacitif pour une lampe à décharge à haute intensité sans électrode. Cet objet ainsi que d'autres selon la présente invention apparaîtront clairement à la lecture de la description détaillée suivante faite en relation avec les dessins. Les figures la et lb sont respectivement des vues de côté et de dessus d'une lampe HID sans électrode, donc d'une bobine d'excitation, et d'un premier mode de réalisation de nouvelles électrodes d'amorçage capacitif selon la présente invention; et les figures 2a et 2b sont des vues de côté d'un autre mode de réalisation préféré ici d'une électrode d'amorçage capacitif, destinée à une lampe HID et donc une bobine d'excitation, et représentant respectivement la position d'amorçage à froid et celle de fonctionnement à chaud. Dans les figures la et lb, une lampe 10 à décharge à haute intensité (HID) par induction ou sans électrode comprend un tube à arc, ou enceinte, 11 ayant une forme sensiblement cylindrique, renfermant une substance sensiblement gazeuse lla contenant un gaz d'amorçage, comme par exemple de l'argon, du xénon, du krypton ou analogue, et un halogénure métallique comme par exemple de l'iodure de sodium, de l'iodure de cérium et analogue. Une décharge d'arc 12 sensiblement en forme de tore doit âtre produite et ensuite maintenue dans l'enceinte 11 par un champ électrique produit par une bobine d'excitation 14, en réponse à un signal haute fréquence (HF) appliqué entre les extrémités opposées 14a et 14b de la bobine. L'enceinte 1l est positionnée son axe étant de façon générale suivant l'axe de la bobine 14. Selon un aspect de la présente invention, chacune des électrodes d'amorçage d'une paire 20a et 20b est prévue en tant qu'un élément conducteur ayant la forme générale d'un anneau placé contigtUment à l'extérieur des surfaces supérieure et inférieure llb et llc du tube à arc, et chacune s'étendant dans un plan sensiblement parallèle à la surface contiguë et ainsi à peu près perpendiculairement à l'axe sensiblement mutuel de l'enceinte 11 et de la bobine 14. Une partie centrale 20c de chacun des éléments en anneau 20a et 20b est reliée, par un élément conducteur 22a ou 22b respectivement, à une partie adjacente 14c ou 14d respectivement de la bobine d'excitation, respectivement, adjacente à une de ses extrémités opposées 14a ou 14b. Comme chacun des éléments conducteurs en forme d'anneau 20a ou 20b est dans le champ électrique, une partie intercalaire 20g est enlevée pour éviter la formation d'une spire complète de sorte que l'élément en anneau ne forme pas une bobine secondaire parcourue par un courant élevé. De façon avantageuse, la partie intercalaire g est placée sensiblement à l'opposé de la partie 20c au niveau de laquelle l'élément conducteur 22a ou 22b est lié à l'élément en anneau 20a ou 20b respectivement; un tel positionnement de la partie intercalaire 20g tend à équilibrer la masse de l'élément en anneau 20 par rapport à la partie conductrice 22; cet équilibre peut être important en cas de déplacement, comme cela apparaîtra plus clairement dans le mode de réalisation exposé ci-dessous en relation avec les figures 2a et 2b. Les éléments d'amorçage 20 sont tous deux placés très près de la surface extérieure du tube à arc, mais ne doivent pas être en contact avec l'enceinte. En réponse à une tension et un courant élevés (de l'ordre de 2500V et 15A), appliqués à la bobine d'excitation 14, une tension élevée est appliquée sur le tube à arc 11 entre l'électrode d'amorçage supérieure 20a et l'électrode d'amorçage inférieure 20b, formant une région de décharge luminescente en forme d'anneau 24. Le volume de décharge luminescente 24 produit une ionisation suffisante, en un emplacement très favorable par rapport au tore de plasma de décharge souhaité 12, de sorte qu'une transition vers la décharge d'arc de plasma à courant élevé se produit presque instantanément. La grandeur du courant capacitif sur la paroi du tube à arc 11 peut être estimée en supposant que les éléments capacitifs en anneau d'aide à l'amorçage ont un diamètre intérieur D d'environ 14 mm, une largeur W d'environ 1 mm et ont une surface totale d'environ 47 mm2. Si la paroi du tube à arc a une épaisseur T d'environ 1 mm et est constituée de quartz de constante diélectrique En - 3,8 à 13,56 MHz, alors la capacité entre chaque paroi du tube à arc peut être calculée comme étant égale à environ 1,6 picofarads. Pour environ 1000 V, à 13,56 MHz, appliqués sur chaque paroi du tube à arc, le courant capacitif est d'environ 140 mA. Un tel niveau de courant élevé aide de façon significative au processus d'amorçage. On remarquera que les éléments conducteurs 22 peuvent être enlevés et remis en place à l'aide d'éléments isolants et que les éléments capacitifs d'aide à l'amorçage 20 peuvent alors être connectés à une alimentation HF distincte, au lieu de l'être à la bobine d'excitation, pour l'application d'une haute tension. Une alimentation distincte n'a pas à fonctionner à la même fréquence que la bobine et peut être excitée seulement pendant le processus d'amorçage. Une alimentation d'amorçage distincte permet plus de souplesse dans la conception de la bobine d'excitation 14 et de l'alimentation HF (non représentée) par conséquent, bien qu'une telle alimentation d'amorçage distincte puisse augmenter le coût et la complexité des circuits de commande des lampes. On verra, toutefois, que les éléments d'amorçage fixes ayant une forme générale en anneau 20 présentent plusieurs inconvénients: étant très proches du tube à arc 11, les électrodes d'amorçage 20 interfèrent avec la commande de température du tube à arc et arrêtent son émission de lumière; et elles peuvent entraîner une dégradation précoce de la lampe en raison du bombardement ionique du tube à arc 11 dé aux courants capacitifs continus circulant même pendant le fonctionnement normal de la lampe. Pour pallier les inconvénients précédents, le mode de réalisation préféré ici 10' des figures 2a et 2b utilise des électrode d'amorçage capacitif mobile 30. Ainsi, les électrodes d'aide à l'amorçage sont enlevées du voisinage du tube à arc 11' après que la lampe s'est amorcée, de sorte que les aides à l'amorçage: n'arrêtent sensiblement pas l'émission de lumière; n'interfèrent pas avec l'équilibre thermique du tube à arc 11'; ou ne contribuent pas à la dégradation de la lampe. On verra que la lampe HID 10' comporte une enceinte de tube à arc 11' contenant une substance sensiblement gazeuse 1l'a. L'enceinte 11' a des surfaces supérieure et inférieure ll'b et 11'c et peut être formée - 6 - avec une partie périphérique oblique ll'd, pour avoir une section en forme de losange. La bobine d'excitation multispire 14' est ici représentée comme étant une bobine d'excitation non so1inoldale, toroldale et à section en forme de V, comme cela est connu. On verra que les électrodes d'amorçage capacitif supé- rieure et inférieure 30a et 30b peuvent être formées pour avoir une section qui permette aux éléments conducteurs en anneau interrompu d'être tout à fait adjacents aux surfaces exterieures, supérieure et inférieure de l'enceinte. Ainsi, pour une ampoule à section en losange 11', les éléments 30 ont une forme de bande conique peu épaisse. De même, on comprendra que d'autres formes de section peuvent être utilisées avec des tubes à arc ayant d'autres configu- rations de section. Selon un autre aspect de la présente invention, des fixa- tions conductrices 40a et 40b, reliant les sections centrales 30c des éléments d'amorçage à des points de fixation adjacents 14'c ou 14'd de la bobine d'excitation, sont des lames sensibles à la chaleur, par exemple des bilames, formées de façon à être convena- blement incurvées, comme on le voit dans la figure 2a, aux tempéra- tures ambiantes ordinaires, pour amener les électrodes d'amorçage à s'étendre de façon adjacente à la surface de l'enceinte de la lampe 11'. Les régions de décharge luminescente 34' seront ainsi formées lorsque la bobine 14' sera initialement alimentée et aideront à l'amorçage de la décharge d'arc de plasma en forme de tore 12 dans l'enceinte. En réponse à l'énergie calorifique émise lors du fonctionnement de la lampe, les bilames subissent une dilatation différentielle et changent de courbure de sorte que les éléments de conducteur souple ou les lames 40'a et 40'b éloignent les électrodes d'amorçage 30a et 30b du tube i arc, comme le représente la figure 2b. On comprendra que lorsque la lampe ne fonctionne pas, les éléments de liaison bimétalliques 40 se refroidissent et reviennent à la position d'amorçage de la figure 2a. Dans un exemple de mode de réalisation d'aides à l'amorçage capacitif mobiles on utilisait des éléments 30 en feuilles d'acier inoxydable de 0, 254 mm (10 millipouces) d'épaisseur, liés à des feuilles bimétalliques de 0,1778 mm (7 millipouces) d'épaisseur disponibles sous la référence PMC223-1 auprès de la société Polymetallurgical Corp., Attleboro Falls, Massachusetts. Les extrémités de la feuille bimétallique non liées aux électrodes en anneau interrompu en acier inoxydable étaient montées sur l'extrémité associée d'une bobine d'excitation en forme de V à 10 spires constituées d'un bobinage de cuivre de 3,17 mm (1/8 de pouce) de diamètre. Des amorçages répétés d'une lampe HID, contenant des iodures de cérium et de sodium et un gaz tampon au krypton à 3,33.104 Pa (250 Torr), se produisaient par application de courants de 10A ou moins à 13,56 MHz à la bobine. Après que le fonctionnement de la lampe s'était amorcé, les aides à l'amorçage s'éloignaient bien du tube à arc en moins d'une minute. Après que le fonctionnement de la lampe avait cessé, les aides à l'amorçage revenaient lentement vers la position d'amorçage, permettant un réamorçage ultérieur de la lampe. Alors que plusieurs modes de réalisation préférés de la présente invention ont été décrits en détail ici, il apparaîtra clairement maintenant que de nombreuses modifications et variantes peuvent être réalisées par l'homme de l'art. La présente invention, toutefois, se limite au domaine des revendications jointes et non aux détails et moyens particuliers présentés ici dans un but d'exposé. REVENDICATIONS 1. Electrodes d'amorçage pour une lampe à décharge à haute densité (HID) sans électrode (10) du type ayant un tube à. arc (11), placé à l'intérieur d'une bobine d'excitation (14), dans lequel une décharge d'arc de plasma (12) doit être formée et commandée par la bobine d'excitation (14), caractérisées en ce qu'elles comprennent: une paire d'électrodes d'amorçage (20a et 20b), chaque électrode étant placée, au moins au début de la décharge d'arc de plasma, de façon adjacente à la surface extérieure de l'une conjuguée d'une paire de surfaces opposées (11b et 1lc) du tube à arc (11); et des moyens (22a et 22b) d'application d'un signal haute tension à la paire d'électrodes d'amorçage pour entraîner la création, au moins au début de la décharge d'arc de plasma, d'une décharge luminescente (24) dans le tube à arc due à la circulation d'un courant capacitif à partir des électrodes d'amorçage. 2. Electrodes d'amorçage selon la revendication 1, caractérisées en ce qu'au moins une des électrodes est un élément conducteur sensiblement en forme d'anneau. 3. Electrodes d'amorçage selon la revendication 2, caractérisées en ce que chaque électrode en forme d'anneau comporte une partie intercalaire (20g) dépourvue de matériau conducteur. 4. Electrodes d'amorçage selon la revendication 1, caractérisées en ce qu'au moins une des électrodes d'amorçage à une forme de section choisie pour être sensiblement identique à la forme de la surface extérieure (llb ou l1c) du tube à arc (11) à laquelle cette électrode doit être adjacente au moins au début de la décharge d'arc de plasma. 5. Electrode d'amorçage selon la revendication 4, caractérisée en ce que la forme de sa section est celle d'une section conique. 6. Electrode d'amorçage selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'application comprennent un élément conducteur (22a ou 22b) connectant une partie choisie (20c) de l'électrode à une partie adjacente (14c ou 14d) de la bobine d'excitation (14). 7. Electrode d'amorçage selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'élément conducteur (22a ou 22b) connecte l'électrode à une extrémité adjacente (14a ou 14b) de la bobine d'excitation (14). 8. Electrodes d'amorçage selon la revendication 7, caractérisées en ce qu'au moins une des électrodes est un élément conducteur ayant sensiblement la forme d'un anneau. 9. Electrodes d'amorçage selon la revendication 8, caractérisées en ce que chaque électrode en forme d'anneau a une partie intercalaire (20g) dépourvue de matériau conducteur. 10. Electrodes d'amorçage selon la revendication 1, caractérisées en ce que les moyens d'application (40a et 40b) comprennent des moyens (40a' et 40b'), en réponse à l'établissement de la décharge, de déplacement des électrodes d'amorçage (30a, 30b) vers une position plus éloignée du tube à arc (11') que la position des électrodes au début de la décharge. 11. Electrodes d'amorçage selon la revendication 10, caractérisées en ce que les moyens de déplacement (40a' et 40b') comprennent des moyens pour mouvoir les électrodes d'amorçage en réponse à la réception d'énergie calorifique provenant du tube à arc. 12. Electrodes d'amorçage selon la revendication 11, caractérisées en ce que les moyens de déplacement (40a' et 40b) en réponse à l'énergie calorifique sont adaptés à ramener les électrodes d'amorçage vers le tube à arc en réponse à l'arrêt de réception d'énergie calorifique provenant de celui-ci. - 10 - 13. Electrodes d'amorçage selon la revendication 12, caractérisées en ce que les moyens de déplacement (40a' et 40b') comprennent un élément conducteur souple connectant une partie choisie (30c) de chaque électrode à un objet placé de façon sensiblement fixe par rapport au tube à arc. 14. Electrodes d'amorçage selon la revendication 13, caractérisées en ce que l'objet est la bobine d'excita- tion (14'). 15. Electrodes d'amorçage selon la revendication 12 ou 14, caractérisées en ce que l'élément conducteur souple (40a' et 40b') est un élément bimétallique.