Brevet FR2721475A1 — publié le 19951222

CIRCUIT DE COMMANDE DE COMMUTATION ET DISPOSITIF DE COMMANDE POUR LAMPE FLUORESCENTE A BASSE PRESSION L'invention concerne les dispositifs de commande des lampes fluorescentes à basse pression. Ces lampes fluorescentes contiennent des gaz (néon, argon) à basse pression. Le comportement électrique d'une lampe fluorescente est similaire à celui d'une diode zener (avalanche) , avec une résistance dans le gaz qui devient très faible et négative après le claquage. Des ions animés de vitesses importantes amènent par collision les atomes du gaz dans des états excités dans lesquels ces atomes émettent des raies lumineuses. Un dispositif de commande de la lampe est nécessaire, qui comprend une source de courant. Mais pour éviter une migrations d'ions, il faut que les décharges en courant appliquées entre deux électrodes de la lampe passent dans un sens, puis dans l'autre, alternativement. On avait l'habitude d'utiliser une inductance comme dispositif de commande des décharges, mais le développement de l'électronique a conduit à utiliser des dispositifs de commande qui comprennent typiquement deux commutateurs électroniques à base de transistors de puissance alimentés en haute tension continue et un transformateur en courant pour commander ces dispositifs de commande à transistors. Un circuit résonnant comportant une inductance et une capacité applique un courant alternatif à la lampe fluorescente. Selon l'état de la technique, le transformateur est un transformateur à saturation, qui limite le courant dans la lampe par saturation de son noyau magnétique et entraîne la commutation des commutateurs des dispositifs de commande. Les commutateurs utilisent généralement des transistors bipolaires de puissance pour la commutation et avec des diodes en parallèle et en inverse pour passer le courant au moment des alternances, et différents éléments de protection, comme diodes et condensateurs. Ces dispositifs à transformateur sont très encombrants et coûteux, car ils nécessitent beaucoup de composants et ne permettent que peu d'intégration. Par ailleurs, le temps de stockage des transistors bipolaires est une caractéristique très variable, par exemple prenant une valeur entre 2 et 7 microsecondes. Cette variation n'est pas négligeable devant le temps au bout duquel le transformateur sature pour une alternance de courant, de l'ordre de 3 microsecondes, pour une durée d'alternance de l'ordre de 10 microsecondes. Donc, le temps au bout duquel le transistor bipolaire devient non passant après saturation du transformateur dans une alternance varie de 5 à 10 microsecondes. Ceci est très gênant. En pratique, on effectue une mesure du temps de stockage de chaque transistor en sortie de fabrication pour le classer dans une famille correspondant à une fourchette étroite de valeurs, pour l'utiliser dans un dispositif de commande adapté par résistances à cette fourchette de valeurs. Tout ceci est fort pénalisant et très couteux. Un objet de l'invention est de supprimer le transformateur en courant. Selon l'invention, on utilise une mesure du courant dans les commutateurs pour commander alternativement ces commutateurs. Un autre objet de l'invention est de proposer un dispositif de commande simple et monolithiquement intégrable, c'est à dire que le commutateur et le circuit de commande peuvent être sur une même puce. Telle que caractérisée, l'invention concerne un circuit de commande de commutation pour lampe fluorescente à basse pression. selon l'invention un circuit de commande de commutation d'un transistor de puissance et d'une diode montée en inverse entre deux électrodes dudit transistor, un circuit de détection de la tension aux bornes de la diode et du transistor pour commander l'état passant dudit transistor lorsque cette tension est inférieure à une valeur de référence de tension et un circuit de mesure du courant passant dans ledit transistor pour commander l'état bloqué dudit transistor lorsque l'intégrale de ce courant est supérieure à une valeur de référence de courant. L'invention concerne aussi un dispositif de commande de lampe fluorescente à basse pression. Ce dispositif de commande d'une lampe fluorescente à basse pression comprend deux circuits de commande de commutation d'un transistor de puissance selon l'invention placés en série entre une haute tension et la masse. Une inductance, la lampe fluorescente à basse pression et un condensateur sont montés en série entre le point milieu des deux circuits de commutation et la masse. Un condensateur de démarrage (Cp) est prévu en parallèle sur la dite lampe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention sont présentés dans la description jointe, faite à titre indicatif et non limitatif de l'invention et en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est un schéma-bloc d'un dispositif de commande d'une lampe fluorescente à basse pression selon l'invention; - la figure 2 est un schéma détaillé d'un circuit de commande de commutation selon l'invention, utilisé dans le dispositif de commande représenté à la figure 1 et - la figure 3 représente les courbes de tension et de courant aux bornes d'un circuit de commande de commutation selon l'invention, tel qu'utilisé dans le dispositif de commande représenté à la figure 1. La figure 1 représente un dispositif de commande selon l'invention. I1 comporte principalement deux circuits Coma et Comb placés en série entre une haute tension et la masse. Dans l'exemple la haute tension est fournie par un étage E d'alimentation à redresseur et capacité de filtrage CO qui maintiennent une tension d'alimentation de l'ordre de 300V. Les circuits Coma et Comb seront détaiilés dans la suite en relation avec la figure 2. Ils comportent trois bornes externes notées Bila, B2a, B3a pour le circuit Coma et Blb, B2b, B3b pour le circuit Comb. Les bornes Bila et B2a (respectivement Blb et B2b) sont les bornes de connexion du circuit. La borne B3a (respectivement B3b) est une borne de découplage de l'alimentation logique du circuit. Les bornes B3a et B3b sont chacunes reliées à un condensateur de découplage Ca et Cb connecté au point de référence du circuit, soit B2 a et B2b. Le rôle de ces condensateurs est de maintenir le niveau de la tension logique interne des circuits Coma et Comb quand ils ont une tension nulle entre leurs bornes de connexion Bia et B2a, Blb et B2b. Les circuits Coma et Comb comprennent principalement un transistor de puissance T a et Tb et son circuit de commande de commutation (CCa et CCb), entre les deux bornes de connexion Bi a et B2a, Bib et B2b. Le circuit de commande de commutation commande la grille ga, gb du transistor de puissance associé. Une diode Da, Db est placée en parallèle et en inverse sur le transistor Ta, Tb. Le point milieu M entre les deux circuits Coma et Comb est connecté à une borne d'une inductance L connectée sur l'autre borne à une première électrode el d'une lampe fluorescente à basse pression F. L'autre électrode e2 de la lampe est connectée à un condensateur Cs relié à la masse. L'inductance L, la lampe F et le condensateur Cs sont donc montés en série entre le point milieu M et la masse, et forment un circuit oscillant. Enfin, un condensateur de démarrage Cp est monté en parallèle sur la lampe. Le principe général de fonctionnement du dispositif va maintenant être expliqué. Le courant passe dans la lampe F tantôt dans un sens, puis dans l'autre. Ce courant passe par exemple dans une première période par le transistor de puissance Ta qui est alors passant, du circuit Coma qui est à l'état fermé : il a une tension nulle entre ses bornes Bi a et B2a, toute la haute tension se retrouvant aux bornes de l'autre circuit Comb. Quand le circuit de commande de commutation détecte que suffisamment de courant est passé dans le transistor, il commande l'état ouvert du circuit Coma, en bloquant son transistor de puissance Ta: le courant dans la lampe passe alors dans l'autre circuit Comb, par la diode Db montée en parallèle et en inverse. La tension aux bornes de cette diode devient négative par rapport au point de référence B2b du circuit. Le circuit de commande CCb détecte cette chute de tension aux bornes de la diode et commande l'état passant du transistor de puissance associé Tb : Le circuit résonnant extérieur fera changer le sens du courant qui pourra maintenant passer par le commutateur en état passant, et ainsi de suite. Les deux circuits Coma et Comb fonctionnent donc de manière indépendante, chacun détectant une chute de tension à ses bornes pour se mettre à l'étant fermé et détectant que suffisamment de courant est passé entre ses bornes pour se mettre à l'état ouvert. Le critère de courant correspond à la puissance nominale de la lampe à commander. On fait ainsi correspondre une valeur de référence de courant à la puissance nominale de la lampe, et la détection de courant consiste à mesurer et comparer la surface de courant passée dans le transistor sur une alternance à cette valeur de référence de courant. Pour le démarrage de la lampe, on rappelle que l'on utilise classiquement le condensateur de démarrage Cp qui court-circuite la lampe. La surtension sur le condensateur de démarrage provoque le claquage du gaz dans la lampe, et tout le courant passe alors par la lampe : c'est le condensateur de démarrage qui est alors court-circuité, et le circuit de résonnance comprend ensuite seulement le condensateur en série avec la lampe et l'inductance. La figure 2 est un schéma détaillé du circuit Coma comprenant le circuit de commande de commutation CC a et le transistor de puissance Ta selon l'invention. I1 comprend trois bornes de connexion externe : deux bornes de connexion Bi a et B2 a et une troisième borne de découplage B3a de l'alimentation logique V1. Le transistor de puissance T a est connecté entre les bornes Bla et B2a, avec une diode Da montée en parallèle et en inverse. Ainsi, le drain du transistor et la cathode de la diode sont connectés à la borne Bla et la source du transistor et l'anode de la diode sont connectées à la borne B2 a Le circuit de commande de commutation comprend un circuit de détection d'une tension aux bornes de la diode et du transistor supérieure ou inférieure à une valeur de référence de tension Vref et un circuit de mesure du courant passant dans le transistor pour déterminer une surface de courant supérieure ou inférieure à une valeur de référence de courant Iref. Le circuit de détection de tension comprend un diviseur résistif 3 comprenant dans l'exemple deux éléments résistifs notés R1 et R2 placés en série entre la première borne Bia et la deuxième borne B2 a Les éléments résistifs peuvent être des diffusions ou un transistor en saturation par exemple. Ce diviseur résistif a notamment pour objet de réduire l'excursion en tension entre les deux bornes, car elle peut être de cinq cent volts dans l'exemple, pour la réduire à un niveau logique par exemple de l'ordre de 15 volts, acceptable par un circuit logique. Le point milieu P entre les deux éléments résistifs est connecté sur une entrée d'un comparateur de tension 4, qui reçoit sur une autre entrée une référence de tension Vref. Dans l'exemple, on veut détecter une tension pratiquement nulle : La référence de tension est une tension proche de zéro volts. Le comparateur de tension délivre en sortie un signal de détection d'une tension supérieure ou inférieure à la référence de tension sl, qui sert à commander la grille du transistor de puissance Ta. Le circuit de mesure de courant comprend un circuit de dérivation de courant qui comprend dans l'exemple deux charges résistives. Une première 5a est placée entre le transistor de puissance et l'entrée d'un intégrateur 6. Une autre 5b est placée entre le transistor de puissance et le point de référence B2a. D'autres circuits de dérivation sont envisageables. Par exemple, comme le transistor de puissance est composé de millions de cellules MOSFET, on peut aussi prévoir une quatrième borne sur ce transistor pour dériver le courant de quelques cellules seulement : le rapport du courant total au courant dérivé de cette manière est en effet très précis. On connecte alors cette quatrième borne de dérivation à une charge résistive en série avec l'intégrateur. L'intégrateur 6 peut être un simple filtre passebas RC. Il peut aussi utiliser, comme représenté sur la figure 2, un amplificateur opérationnel monté en intégrateur, avec une entrée recevant le courant dérivé par la charge 5 et une entrée connectée à une référence ref6, qui dépend classiquement de l'excursion en tension sur la première entrée, comme cela est bien connu de l'homme du métier. Enfin une capacité est montée en parallèle sur cette première entrée et la sortie de l'amplificateur. Un comparateur 7 reçoit la sortie de l'intégrateur ainsi qu'une valeur de référence de courant Iref, calculée selon la puissance nominale de la lampe et en fonction de la charge de dérivation du courant. Dans un exemple, pour une lampe de 7 watts, la valeur de référence de courant peut être de l'ordre de cent milliampères, selon la charge de dérivation. La sortie du comparateur de courant 7 fournit le signal de détection de courant s2 qui sert à commander la grille du transistor de puissance Ta. Les signaux sl et s2 sont appliqués à un circuit logique qui élabore la commande en tension de la grille. On a vu qu'il faut bloquer le transistor sur détection d'une surface du courant passé dans le transistor suffisante, information donnée par le signal s2, et rendre passant le transistor sur détection d'une tension nulle aux bornes de la diode (donc du transistor), information donnée par le signal sl. Dans l'exemple, le circuit logique comprend une bascule bistable de type RS, avec une entrée S de mise à un, commandée par le signal de détection d'une tension sl et une entrée de mise à zéro, commandée par le signal de détection de courant s2. Dans l'exemple préféré d'un transistor de puissance de type MOSFET à canal N, il faut une tension de l'ordre de quinze volts sur la grille pour le rendre passant et de l'ordre de zéro volt pour le bloquer. Ainsi, si on détecte une tension nulle, on commande une tension logique de l'ordre de quinze volts sur la grille g a du transistor de puissance et si on détecte suffisamment de courant, on commande une tension logique de l'ordre de zéro volt sur la grille du transistor de puissance. Par mesure de protection, il est préférable de pouvoir bloquer le transistor dans le cas où on aurait une tension positive sur la borne Bla, alors que la sortie de détection de courant n'est plus à un (c'est à dire, quand le courant passe dans l'autre commutateur). Pour cela, on prévoit que le circuit logique comporte en outre une porte logique 9, de type ET dans l'exemple, pour forcer dans ce cas la grille g du transistor à zéro volt, quelle que soit la sortie de détection de courant. Dans l'exemple, la porte logique reçoit en entrée la sortie Q de la bascule bistable et le signal de détection de tension inversé /sl. La porte logique peut par exemple avoir une entrée inverseuse, ou un inverseur peut être prévu en série entre la sortie du comparateur et l'entrée de cette porte logique 9. Enfin, le circuit logique comprend de préférence un circuit de démarrage comportant une porte logique 10 et un générateur d'une impulsion aléatoire 11. La porte logique 10 est dans l'exemple une porte OU recevant en entrée le signal de détection d'une tension sl et la sortie du générateur d'une impulsion aléatoire 11. Ce générateur 11 délivre une impulsion au bout d'un certain temps aléatoire après la mise sous tension. La porte logique 10 délivre en sortie un signal sl' de commande de l'entrée de mise à un de la bascule bistable 8. Le but de ce circuit de démarrage est de pouvoir forcer la détection de tension au niveau correspondant à la détection d'une tension nulle quand l'impulsion est émise, pour obliger le circuit de commande de commutation à commander dans l'état fermé (transistor passant).L'intérêt, pour un dispositif utilisant deux circuits Coma et Comb selon l'invention est de forcer l'un des deux à l'état fermé, celui pour lequel l'impulsion sera générée en premier, pour faire partir le dispositif. Sinon, la tension se répartie entre les deux circuits Coma et Comb et le système ne démarre pas. Cependant, quand un générateur a envoyé en premier son impulsion, l'autre doit être bloqué. Selon l'invention, on le fait simplement en envoyant la sortie Q de la bascule sur une entrée R de mise à zéro du générateur. Comme une demi-période de commutation est de l'ordre de 10 microsecondes, on prévoit que l'impulsion survient dans un laps de temps plus grand. Le générateur d'impulsion aléatoire peut par exemple utiliser un courant de fuite dans une jonction de semi-conducteur, dont on sait qu'il varie d'un circuit intégré à un autre du fait des variations intrinsèques au procédé de fabrication, et qui ne sont pas contrôlables, pour charger une capacité qui délivrera l'impulsion aléatoire. Le courant de fuite peut par exemple varier de 1 nanoampère à 1 milliampère. La survenance de l'impulsion peut ainsi se produire aléatoirement après 0,1 à 100 millisecondes après la mise sous tension. Enfin, un dispositif d'alimentation logique 12 est prévu pour générer une tension logique Vi de l'ordre de quinze volts pour commander les différents circuits logiques (intégrateur, comparateur et autres) et fournir la tension de grille de l'ordre de quinze volts nécessaire pour rendre le transistor de puissance passant. En pratique, la diode en parallèle sur le transistor de puissance et en inverse est une diode parasite du transistor, donc interne à sa structure et le circuit de commande contrôle donc d'une part la tension aux bornes de la diode (donc du transistor) et le courant passant dans le transistor. La figure 3 représente les courbes de tension et de courant en fonction du temps pour une alternance, pour le dispositif de commande de la figure 1 utilisant les circuits Coma et Comb détaillés sur la figure 2. On part d'un état ouvert du circuit Coma (transistor de puissance Ta bloqué) : on retrouve toute la haute tension aux bornes du transistor, et aucun courant. Puis, correspondant au moment où l'autre circuit Comb va se mettre à l'état ouvert, le courant de la lampe qui doit continuer à passer quelque part, passe dans la diode Da en parallèle sur le transistor Tai qui est alors polarisée en inverse : cela correspond à la partie négative de la courbe du courant sur la figure 3. Le passage du courant dans la diode fait chuter la tension à ses bornes Bi a et B2 a à une tension proche de zéro (tension de seuil de la diode). Cette chute de tension est détectée par le circuit de détection de la tension qui commande l'état passant du transistor : le circuit Coma passe à l'état fermé. Dans le même temps, l'autre circuit Comb s'étant mis à l'état ouvert, le circuit oscillant se démagnétise : le courant négatif remonte progressivement vers zéro. Le courant change alors de sens pour devenir positif dans le circuit Coma, conduit par le transistor de puissance Ta Ce courant est mesuré par le circuit de mesure du courant.Quand suffisamment de courant est passé, correspondant à la puissance nominale de la lampe, le circuit de mesure du courant détecte cette occurrence (s2) et commande l'état bloqué du transistor : le circuit Coma passe à l'état ouvert et on retrouve toute (ou presque toute) la haute tension à ses bornes ( à la tension de seuil de la diode de l'autre circuit Comb près, négligeable). Selon l'invention, on retrouve donc toute la tension aux bornes de l'un ou l'autre circuit Coma ou Comb, alternativement, et les alternances sont contrôlées par la mesure de la surface de courant. De préférence, pour n'intégrer que la partie positive du courant, la commande à l'état passant du transistor ne se fait qu'après un petit temps connu, qui correspond à la démagnétisation du circuit résonnant de la lampe. Pour cela, on peut utiliser un monostable en sortie du comparateur (non représenté). Et on prévoit que le signal de détection de tension commande aussi le début de l'intégration (non représenté). Le circuit comprenant le transistor de puissance et son circuit de commande de commutation selon l'invention se présente avantageusement sous forme d'un petit circuit intégré à trois broches. Il en faut deux pour un dispositif de commande selon l'invention. Ils sont indifférenciés dans le dispositif, car complètement indépendant et isolés l'un de l'autre : en interne, ils ne regardent que le courant qui passe dans le transistor et la tension aux bornes. La seule particularisation, concerne la définition du courant de référence qui varie selon la puissance nominale de la lampe fluorescente à basse pression à commander (7, 12 ou 18 watts par exemple). REVENDICATIONS 1. Circuit de commande de commutation d'un transistor de puissance (Ta) et d'une diode (Da) montée en inverse entre deux électrodes dudit transistor, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de détection de la tension aux bornes (Bla, B2a) de la diode pour commander l'état passant dudit transistor lorsque cette tension est inférieure à une valeur de référence de tension (Vref) et un circuit de mesure du courant passant dans ledit transistor pour commander l'état bloqué du dit transistor lorsque l'intégrale de ce courant est supérieure à une valeur de référence de courant (Iref). 2. Circuit de commande de commutation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite diode est une diode parasite dudit transistor (Ta). 3. Circuit de commande de commutation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit de détection de tension comprend un diviseur résistif (3) connecté entre les deux électrodes dudit transistor et un comparateur de tension (2) connecté en entrée en un point (P) du diviseur résistif et recevant sur une autre entrée la valeur de référence de tension (Vref), pour délivrer en sortie un signal (sl) de détection d'une tension supérieure ou inférieure à la valeur de référence de tension. 4. Circuit de commande de commutation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le circuit de mesure de courant comprend un circuit de dérivation de courant (5au 5b) un intégrateur et un comparateur de courant, le circuit de dérivation de courant comprenant un élément résistif connecté en entrée à une électrode dudit transistor (Ta) et en sortie sur l'entrée d'un intégrateur (6), le comparateur (7) recevant sur une entrée la valeur de référence de courant (Iref) et sur une autre entrée la sortie de l'intégrateur, pour délivrer en sortie un signal (s2) de détection d'une surface de courant supérieure ou inférieure à la valeur de référence de courant. 5. Circuit de commande de commutation selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit logique recevant sur une entrée le signal (sl) de détection de tension et sur une autre entrée le signal (s2) de détection de courant, qui fournit en sortie un niveau de tension sur la grille (g) du dit transistor (Ta) pour le rendre passant pour un signal de détection d'une tension inférieure à la référence de tension et bloqué pour un signal de détection d'une surface de courant supérieure à ladite référence de courant. 6. Circuit de commande de commutation selon la revendication 3 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit de génération d'une impulsion aléatoire (11), l'occurrence de l'impulsion forçant le signal de détection de tension à un état correspondant à une tension inférieure à la référence de tension pour rendre passant ledit transistor. 7. Circuit de commande de commutation selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le circuit logique comprend une bascule bistable (8), recevant le signal (sl) de détection de tension sur une entrée de mise à un (S) de la sortie (Q) de la bascule et le signal (s2) de détection de courant sur une entrée de mise à zéro (R) de la sortie (Q) de la bascule. 8. Circuit de commande selon la revendication 7, caractérisé en ce que la sortie de la bascule commande la remise à zéro du générateur d'impulsion aléatoire. 9. Circuit de commande de commutation selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le circuit logique comprend en outre une porte ET (9) sur la sortie (Q) de la bascule et qui reçoit sur une autre entrée le signal inversé (/sl) de détection de niveau de tension, pour forcer la tension de grille dudit transistor à un niveau logique zéro et bloquer ledit transistor pour une détection d'une tension supérieure à la référence de tension. 10. Circuit de commande de commutation selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend une porte OU (10) recevant le signal de détection de tension et la sortie du générateur d'impulsion aléatoire (11) et délivrant la commande de mise à un (S) de la bascule. il. Circuit de commande de commutation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de génération (12) d'une tension logique (Vl) à partir de la tension entre les deux électrodes dudit transistor, et qui délivre la tension logique sur une borne (B3) d'alimentation logique du circuit de commande de commutation 12. Circuit de commande de commutation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transistor de puissance est un transistor MOSFET. 13. Circuit intégré, caractérisé en ce qu'il comporte le transistor, la diode et le circuit de commande de commutation selon l'une quelconque des revendications précédentes. 14. Dispositif de commande d'une lampe fluorescente à basse pression, caractérisé en ce qu'il comprend deux circuits de commande de commutation (Coma, Comb) d'un transistor de puissance (Ta, Tb) selon l'une quelconque des revendications précédentes, placés en série entre une haute tension et la masse, une inductance (L), la lampe fluorescente à basse pression et un condensateur (Cs) étant montés en série entre le point milieu (M) des deux circuits de commutation et la masse et un condensateur de démarrage (Cp) étant prévu en parallèle sur la dite lampe. 15. Dispositif de commande selon la revendication 14, caractérisé en ce que pour chaque circuit de commande de commutation (Coma) , un condensateur de découplage (Ca) est connecté entre la borne d'alimentation logique (B3a) et la masse pour maintenir le niveau de tension logique (V1) tout le temps que le circuit de commande de commutation correspondant est à l'état fermé.