Brevet FR2655230A2 — publié le 19910531

FR 2655230 A2 19910531 FR 8915486 A 19891124 La présente invention concerne un perfectionnement à un circuit d'alimentation pour une lampe à arc qui fait l'objet de la demande de brevet français déposée le 31 mars 1989 sous le No. 89 04308 au nom de la Demanderesse, demande de brevet à laquelle se rattache la présente demande de certificat d'addition. Dans le circuit illustré à la figure 2 de la demande de brevet principal, la haute tension (de l'ordre de 1 kV) aux bornes du primaire PT du transformateur, nécessaire à l'amorçage de l'arc, est engendrée par un courant essentiellement continu qui traverse l'inductance Li. Et ce mode de fonctionnement est obtenu en commandant les transistors Ti et T2 de telle sorte que Ti soit fermé pendant une durée sensiblement supérieure à la durée pendant laquelle T2 est fermé. Il en résulte concrètement la nécessité d'utiliser pour Li une self capable de supporter des courants très élevés, et donc coûteuse et encombrante. Par ailleurs, dans le mode de fonctionnement du circuit destiné au chauffage de la lampe, immédiatement après l'établissement de l'arc, Ti reste en permanence ouvert tandis que l'obtention d'un courant élevé dans la lampe, pour son échauffement, se fait par une modulation appropriée de la commande de Tz. Ce mode de fonctionnement se traduit par un facteur de forme élevée des ondes appliquées à la lampe et par un courant extrêmement élevé dans le primaire du transformateur et dans T2 (typiquement de l'ordre de 30 ampères) pendant les phases de conduction de celui-ci. En conséquence, il faut choisir pour T2 un composant ayant à la fois une intensité admissible élevée et un bon comportement en commutation, ce qui le rend extrêmement coûteux. La présente invention vise à pallier ces inconvénients du circuit de la figure 2 de la demande de brevet principal et à proposer un circuit dans lequel l'inductance Li puisse être réalisée de façon économique, sans que ce ne soit au détriment des qualités (tension, énergie) des impulsions d'amorçage engendrées. Elle concerne à cet effet selon un premier aspect un circuit d'alimentation tel que défini dans la revendication 1 du brevet principal, caractérisé en ce qu'il comprend une source de tension continue; une inductance dont une première borne est reliée à la source de tension et dont une seconde borne est reliée à une première borne de l'enroulement primaire du transformateur, un premier condensateur monté entre la seconde borne de l'inductance et la masse, un second condensateur monté entre une seconde borne de l'enroulement primaire et la masse, et deux moyens interrupteurs montés respectivement aux bornes des deux condensateurs et dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par un dispositif de commande, et en ce que, pour établir une succession d'impulsions de haute tension aux bornes de la lampe en vue de son amorçage, le dispositif de commande détermine cycliquement une première phase pendant laquelle le premier moyen interrupteur est fermé et le second moyen interrupteur est ouvert, pour charger ledit second condensateur puis établir dans ledit premier moyen interrupteur un courant inverse de décharge du second condensateur, et une seconde phase pendant laquelle le premier moyen interrupteur est brusquement ouvert tandis que le second moyen interrupteur est fermé, pour engendrer aux bornes du premier condensateur et appliquer à l'enroulement primaire du transformateur une impulsion énergétique de haute tension résultant de la charge du premier condensateur par ledit courant de décharge. Grâce à un tel mode de fonctionnement, c'est dans l'inductance constituée par l'enroulement primaire du transformateur qu'est formé le courant destiné à engendrer les impulsions de haute tension. De façon avantageuse, stlbsequenlment à l'obtention de l'impulsion de haute tension, la seconde phase est prolongée pour laisser croitre un courant dans le second moyen interrupteur et provoquer la charge du second condensateur au début de la première phase subséquente. Par ailleurs, 11 invention vise à proposer un circuit d'alimentation dans lequel les semi-conducteurs de puissance utilisés puissent etre économiques, avec notamment une intensité admissible réduite. L'invention concerne donc selon un second aspect un circuit d'alimentation du type de la revendication 1 du brevet principal, caractérisé en ce qu'il comprend une source de tension continue; un premier enroulement primaire du transformateur monté entre la source de tension et une première borne d'un premier condensateur, un second enroulement primaire du transformateur monté entre la source de tension et une première borne d'un second condensateur, les secondes bornes des deux condensateurs étant reliées à la masse, et deux moyens interrupteurs montés respectivement aux bornes des deux condensateurs et dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par un dispositif de commande, et en ce que le dispositif de commande ouvre et ferme les deux moyens interrupteurs en opposition de phase et fait varier la durée de fermeture de chacun des deux moyens interrupteurs pour établir dans la lampe un courant variable en fonction de son état. De façon préférée, pendant une phase de chauffage de la lampe, une fois l'arc amorcé, la durée de fermeture de chacun des deux moyens interrupteurs est égale à la moitié de la période de commande. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est un schéma d'un circuit d'alimentation de lampe à arc, apte à fonctionner dans un mode perfectionné selon l'invention, la figure 2 représente un chronogramme de divers paramètres électriques du circuit de la figure 1, dans un mode de fonctionnement initial du circuit, la figure 3 est un schéma d'une variante de réalisation du circuit de la figure 1, la figure 4 représente un chronogramme de divers paramètres électriques du circuit de la figure 3, dans un mode de fonctionnement intermédiaire dudit circuit, et la figure 5 représente schématiquement un dispositif de commande du circuit de la figure 1. Le circuit d'alimentation d'une lampe à arc représenté sur la figure 1 est dans son principe strictement identique à celui de la figure 2 de la demande de brevet principal. Une première borne d'un inductance L1 est reliée à la borne positive d'une source de tension continue E, tandis que la seconde borne de L1 est reliée d'une part à la première borne de l'enroulement primaire PT d'un transformateur T, et d'autre part à la cathode d'une première diode D1 et à la première borne d'un premier condensateur Ci. La seconde borne de Cl et l'anode de D1 sont reliées à la borne négative de E (masse). Un transistor à effet de champ (TEC) Ti a sa source reliée à la cathode de D1 et à la première borne de C1 et son drain relié à la masse, sa grille étant reliée à une première borne de sortie d'un circuit de commande indiqué schématiquement en 200. La seconde borne du primaire PT de T est reliée à la première borne d'un second condensateur C2, à la cathode d'une seconde diode D2 et à la source d'un second TEC T2 . Ces trois composants sont également montés en parallèle et la seconde borne de Cz, l'anode de D2 et le drain de T2 sont tous trois reliés à la masse. La grille de T2 est reliée à une seconde borne de sortie du circuit de commande 200. Une lampe à arc L est montée entre les bornes de l'enroulement secondaire ST du transformateur T. Enfin au circuit 200 est relié un détecteur 210 du courant dans le secondaire ST de T. On désigne par Vi et V2 les tensions présentes respectivement aux bornes des condensateurs Ci et C2, et par ii et i2 les courants circulant respectivement dans L1 et PT On va maintenant décrire en référence à la figure 2 le fonctionnement du circuit de la figure 1 dans un mode initial d'amorçage de l'arc de la lampe L. On se place dans une situation initiale (instant to) dans laquelle il, Vi et Vz sont nuls, tandis que i2 a une valeur positive (obtenue comme expliqué plus loin). A l'instant to, le circuit 200 ouvre T2 et ferme Tl. I1 en résulte que ii croît progressivement dans le circuit fermé (E, Li ), V1 restant nulle. Dans le même temps, i2 décroît assez rapidement, C2 se chargeant et V2 augmentant en conséquence, puis C2 commence à se décharger (i2 devient négatif et V2 diminue). V2 et iz évolueraient normalement sous forme de sinusoïdales amorties mais, à l'instant ti, antérieur à la fin du premier demi-cycle de la sinusoïde, le circuit 200 ouvre T1 et ferme T2. V2 passe alors instantanément à zéro, et de même ii décroît très rapidement. Dans le même temps, Vi croît très brutalement jusqu'à une valeur très élevée, par la charge de Ci à l'aide du courant iz de décharge de C2 . Et le pic de haute tension positive Vi ainsi que le courant i2 initialement négatif évoluent alors jusqu'à zéro (instant tel') sous forme de sinusoïdales amorties dans le circuit (Ci , PT, T2). Ensuite, les transistors Tl et T2 restant dans le meme état, le courant i2 croit à nouveau essentiellement linéairement dans le circuit à travers PT et T2 A l'instant t2, on retrouve la même situation qu'à to et un nouveau cycle commence. Ainsi, conformément à un aspect essentiel du présent perfectionnement, la phase initiale du cycle (entre to et t) provoque l'accumulation d'une énergie électrique dans la boucle (T1, PT, C2), V2 et i2 étant en forme de sinusoïdes amorties, dont la fréquence est déterminée par les valeurs de C2 et PT et dont seulement un peu moins de la moitié d'un cycle se développe pendant cette phase. Ensuite, lors de l'ouverture de Ti et de la fermeture de T2 à l'instant ti , on utilise la forte valeur du courant de décharge lors de la première oscillation pour provoquer une surtension V1 très énergétique aux bornes de T1, grâce à son ouverture brutale. Et le choix de l'instant ti permet de contrôler de manière tout à fait simple la valeur de cette surtension. A titre d'exemple, avec une tension d'alimentation VE de 12 volts, une inductance de l'ordre de 100 à 200 uli pour PT, une capacité de l'ordre de 100 à 500 nF pour C2, et une fréquence de commande de l'ordre de 1 à 5 kHz, on peut obtenir une impulsion de haute tension de l'ordre de 1 kV aux bornes de PT (et par exemple environ 10 kV aux bornes de L après élévation par le transformateur T), avec une énergie de l'ordre de 10 mJ . Ce dernier chiffre est à comparer à la valeur d'environ 1 mJ qui peut être obtenue avec la commande telle que décrite dans la demande de brevet principal. On peut observer sur la figure 2 que l'impulsion de la tension Vi formée aux bornes de Ci après l'ouverture de T1 se compose en réalité d'une succession d'impulsions très courtes d'une sinusoïde amortie, dont la fréquence assez élevée est déterminée par les valeurs de la capacité C1 et de l'inductance de PT. Il est à noter que le mode de fonctionnement décrit ci-dessus fait appel à une fermeture de T1 de courte durée par rapport à la fermeture de T2, par opposition avec le fonctionnement décrit dans la demande de brevet principal. Un avantage essentiel de la présente invention réside en ce que, contrairement à la réalisation de la demande de brevet principal, la self Li n'intervient pas dans l'obtention de la surtension, seule la self constituée par l'enroulement PT entrant en jeu. La self Li a pour seul objet d'éviter de mettre la batterie E en court-circuit lors de la fermeture de T1. Elle peut donc être réalisée très économiquement. Lorsque la phase d'amorçage décrite ci-dessus a amorcé la lampe, celle-ci présente maintenant un arc entre ses électrodes et a une résistance donnée rL. En outre, un courant circule dans le secondaire du transformateur, et ce courant ramené au primaire sera noté iL. On a donc i2 égal à iL + Iti (iu = courant de magnétisation). On va décrire brièvement ci-dessous le fonctionnement du circuit dans cette seconde phase, ce fonctionnement étant analogue à celui qui est décrit dans la demande de brevet principal. Tout d'abord, dès que le détecteur 210 a détecté l'amorçage de la lampe, T2 doit être maintenu fermé pendant une durée suffisante pour faire face à l'appel de courant dans le transformateur, et plus précisément pour fournir à la lampe le courant nécessaire pour l'établissement stable de l'arc. Pendant cette phase intermédaire, T1 est maintenu en permanence ouvert. A la suite de cette opération, on excite T2 avec une commande à rapport cyclique élevé, pour le rendre alternativement ouvert et fermé. Selon que la self L1 ne sature pas ou sature, le montage fonctionne selon deux principes différents. Tout d'abord, T2 est fermé. Lorsque L1 n'est pas saturée, le courant ii croît à travers Lut, PT et L. Di est polarisée en inverse et ne conduit pas. Lorsque l'on ouvre T2 , on peut considérer que Li se "décharge" dans le montage constitué de la mise en paralèle de Ci d'une part et du montage série d'une résistance égale à rL/m2 et de C2 d'autre part. li diminue donc assez rapidement. Le courant 12 diminue également, relativement lentement. Lorsque la tension aux bornes de Ci devient nulle, Di se met à conduire. Pratiquement au même instant, la tension sur C2 s'annule et D2 devient conductrice. L'enroulement PT est donc court-circuité et la tension aux bornes de la charge est nulle. Puis on ferme à nouveau T2, si bien que l'on se retrouve dans les conditions initiales. On applique ainsi aux bornes de la lampe des pics de tension relativement étroits (tension V2-V1 après transformation), avec une valeur de tension relativement faible, par exemple de l'ordre de 80 volts. La valeur efficace du courant iL dans la lampe peut être réglée en modifiant la fréquence de commande de T2 : lorsque cette fréquence est augmentée, la valeur efficace de iL diminue. Dans un mode de fonctionnement avec l'inductance Li saturée, le comportement du montage est modifié comme suit : lorsque, lors de la phase de croissance du courant telle que décrite ci-dessus, ii atteint le courant de saturation is, Li devient pratiquement un court-circuit. Le courant ii est alors la somme du courant iL = Emz/rr dans la lampe et du courant magnétisant inti, qui croît linéairement en fonction du temps. Lors de l'ouverture de T2 r le courant iL dans la lampe diminue très rapidement en raison de la désaturation de Li . On assiste ensuite à la charge de Ci et de C2 par le courant ii , comme précédemment, avec ensuite un retour de ces condensateurs à une tension nulle. Dans ces deux modes de fonctionnement (Ll non saturée et saturée), l'intensité efficace du courant dans la charge peut être modifiée par changement de la fréquence de commutation de T2. On peut ainsi aisément, pendant la phase qui suit l'amorçage de la lampe, faire fonctionner celle-ci sous un courant supérieur au courant nominal, et par exemple de l'ordre de 2,6 A, pendant une durée déterminée de l'ordre de quelques secondes, pour l'amener aussi rapidement que possible à sa température de fonctionnement nominale. Le courant est ensuite abaissé à sa valeur nominale, par exemple de l'ordre de 0,4 A au secondaire, pour le fonctionnement de la lampe en régime permanent. Par ailleurs, dans ces deux modes de fonctionnement, les commutations de Tz se font de façon douce. De plus, on peut noter que l'instant auquel on ferme T2 n'est pas critique, dans la mesure où cette mise en conduction s'effectue pendant que la diode en parallèle Dz conduit. On va maintenant décrire en référence à la figure 3 une variante du circuit d'alimentation de la figure 1. Comme on l'a indiqué ci-dessus, le courant dans la lampe pendant sa phase intermédiaire de chauffage est de l'ordre de 2,6 A. En supposant que le transformateur T a un rapport d'élévation de 12, cela signifie que le courant 12 qui doit traverser le primaire du transformateur doit etre de l'ordre de 31 A. Il est donc dans ce cas nécessaire de prévoir des composants de puissance ayant une intensité admissible compatible avec cette valeur, c'est-à-dire couteux et technologiquement difficiles à réaliser. Le montage représenté sur la figure 3 a pour objet de pallier cet inconvénient. Il se compose pour l'essentiel des mêmes éléments que celui de la figure 1, qui sont désignés par les mêmes références et ne seront pas décrits à nouveau. Ces éléments sont complétés par un deuxième enroulement primaire PT ' du transformateur T, qui est relié d'une part à la jonction entre Li et PT et d'autre part à une première borne d'un interrupteur I. La seconde borne de I est reliée à une première borne d'un troisième condensateur Ca, à la cathode d'une troisième diode D3 et à la source d'un troisième transistor à effet de champ T3. La seconde borne de Ca, l'anode de D3 et le drain de T3 sont reliés à la masse.La grille de T3 est reliée au circuit de commande 200. Dans le mode d'amorçage tel que décrit plus haut en référence aux figures 1 et 2, l'interrupteur I est ouvert, et Ca, Da et T3 ne jouent aucun rôle. Le circuit fonctionne alors comme on l'a décrit. On peut noter à cet égard que l'interrupteur I doit être choisi de manière à pouvoir supporter les hautes tensions engendrées pendant la phase d'amorçage. Dans les modes de chauffage et le mode stationnaire subséquent, I est fermé, T1 est ouvert en permanence et, conformément à la présente invention, T2 et T3 sont commandés par le circuit 200 en opposition de phase, selon un mode "push-pull". Comme on montre la figure 4, on établit ainsi alternativement dans les enroulements PT et PTG des courants, respectivement i2 et ia, évoluant à une vitesse relativement lente déterminée par les valeurs des inductances (identiques) de PT et de PT ' et des condensateurs C2 et Ca. On obtient ainsi dans le secondaire de la lampe un courant (ramené au primaire i2+i3) relativement stable, avec un facteur de forme compatible avec la technologie usuelle des semi-conducteurs de puissance. Dans la phase de chauffage de la lampe, on cherche à appliquer à la lampe une intensité la plus élevée possible, et ceci est obtenu en commandant T2 et T3 comme illustré sur la figure 4, la période de fermeture de chacun de ceux-ci occupant pour l'essentiel une demipériode de la commande. Une fois que la lampe est suffisamment chaude, la valeur efficace du courant est abaissée en diminuant les temps de conduction de T2 et Ta, c'est-à-dire en modulant à la baisse la largeur d'impulsion des signaux de commande appliqués à ces transistors. On a illustré sur la figure 5 le schéma de principe d'un circuit 200 pour la commande des deux transistors Ti et Tz du circuit de la figure 1. L'élément 220 est un détecteur de courant auquel est appliqué un signal représentatif de la valeur de iL. Il applique à un circuit monostable réamorçable 230 un signal logique représentatif de la position de iL par rapport à un seuil donné, par exemple de l'ordre de 120 mA. Les sorties de deux oscillateurs 240 et 250 à forme d'onde rectangulaire, de fréquences prédéterminées, sont appliquées à deux entrées d'un multiplexeur 260, la sélection de l'lue ou l'autre des deux fréquences s'effectuant à l'aide du signal de sortie du monostable 230, appliqué à l'entrée de sélection du multiplexeur. Une porte NON-OU 270 reçoit les signaux issus du premier oscillateur 240 et du monostable 230, et sa sortie est appliquée à la grille du transistor T1. Enfin un second monostable 280 reçoit les signaux issus du monostable 230 et sa sortie est reliée à une première entrée d'une porte OU 290, dont l'autre entrée est reliée à la sortie du multiplexeur 260. La sortie de la porte 280 tient lieu de signal de commande du transistor T2. Un tel circuit permet, dans le mode d'amorçage, d'appliquer aux grilles des deux transistors des signaux rectangulaires complémentaires à la fréquence fi qui est celle du premier oscillateur 240, en assurant toutefois, par des moyens connus non représentés, un léger retard de l'ouverture d'un transistor par rapport à la fermeture de 1 ' autre. Le détecteur 220 détecte l'amorçage de la lampe et, via les circuits 280 et 290, assure immédiatement la conduction de T2 pendant une durée déterminée, afin de faire face à cet instant à l'appel de courant important dû à l'établissement de l'arc. A la suite de cela, T1 est ouvert et T2 est commandé à la fréquence fz fournie par le second oscillateur 250 (f2 Dès que la lampe est éteinte, le détecteur 220 bascule à nouveau et fait passer le circuit de commande en mode d'amorçage, après un certain délai fixé par le monostable 230. L'homme de l'art saura aisément modifier le circuit décrit ci-dessus pour l'appliquer à la configuration du circuit d'alimentation de la figure 3, en prévoyant deux oscillateurs déphasés de 1800, avec un une commande de largeur d'impulsion ou de fréquence commune. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux formes de réalisation décrites cidessus et représentées sur les dessins, mais l'homme de l'art saura v apporter toute variante ou modification conforme à son esprit. REVENDICATIONS 1. Circuit d'alimentation pour une lampe à arc (k), notamment pour un projecteur de véhicule automobile, comprenant des moyens pour engendrer une tension alternative d'amplitude variable en fonction de l'état de la lampe, et un transformateur (T) élévateur de tension, ladite tension variable étant appliquée à l'enroulement primaire (PT ) du transformateur et la lampe (L) étant raccordée aux bornes de l'enroulement secondaire (ST) du transformateur directement ou par l'intermédiaire d'éléments non inductifs, selon la revendication 1 du brevet principal, caractérisé en ce qu'il comprend une source de tension continue (E);; une inductance (L1) dont une première borne est reliée à la source de tension et dont une seconde borne est reliée à une première borne de l'enroulement primaire (PT) du transformateur, un premier condensateur (cri) monté entre la seconde borne de l'inductance et la masse, un second condensateur (C2) monté entre une seconde borne de l'enroulement primaire et la masse, et deux moyens interrupteurs (T1, T2) montés respectivement aux bornes des deux condensateurs et dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par un dispositif de commande (200), et en ce que, pour établir une succession d'impulsions de haute tension aux bornes de la lampe en vue de son amorçage, le dispositif de commande détermine cycliquement une première phase pendant laquelle le premier moyen interrupteur (tel) est fermé et le second moyen interrupteur (T2) est ouvert, pour charger ledit second condensateur (C2) puis établir dans ledit premier moyen interrupteur un courant inverse de décharge du second condensateur, et une seconde phase pendant laquelle le premier moyen interrupteur (tri) est brusquement ouvert tandis que le second moyen interrupteur (T2) est fermé, pour engendrer aux bornes du premier condensateur (C) et appliquer à l'enroulement primaire (PT) du transformateur une impulsion énergétique de haute tension résultant de la charge du premier condensateur par ledit courant de décharge. 2. Circuit d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que, subséquemment à l'obtention de l'impulsion de haute tension, la seconde phase est prolongée pour laisser croître un courant dans le second moyen interrupteur (T2) et provoquer la charge du second condensateur (C2) au début de la première phase subséquente. 3. Circuit d'alimentation pour une lampe à arc (L), notamment pour un projecteur de véhicule automobile, comprenant des moyens pour engendrer une tension alternative d'amplitude variable en fonction de l'état de la lampe, et un transformateur (T) élévateur de tension, ladite tension variable étant appliquée à l'enroulement primaire du transformateur et la lampe (L) étant raccordée aux bornes de l'enroulement secondaire du transformateur directement ou par l'intermédiaire d'éléments non inductifs, selon la revendication 1 du brevet principal, caractérisé en ce qu'il comprend une source de tension continue (E);; un premier enroulement primaire (PT) du transformateur monté entre la source de tension et une première borne d'un premier condensateur (C2), un second enroulement primaire (PT ') du transformateur monté entre la source de tension et une première borne d'un second condensateur (Ca), les secondes bornes des deux condensateurs étant reliées à la masse, et deux moyens interrupteurs (T2, Ta) montés respectivement aux bornes des deux condensateurs et dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par un dispositif de commande (200), et en ce que le dispositif de commande ouvre et ferme les deux moyens interrupteurs (T2, T3) en opposition de phase et fait varier la durée de fermeture de chacun des deux moyens interrupteurs pour établir dans la lampe un courant variable en fonction de son état. 4. Circuit d'alimentation selon la revendication 3, caractérisé en ce que, pendant une phase de chauffage de la lampe, une fois l'arc amorcé, la durée de fermeture de chacun des deux moyens interrupteurs (T2, Ta) est égale à la moitié de la période de commande desdits iinterrupteurs.