Brevet FR2718598A1 — publié le 19951013

DISPOSITIF DE CONTROLE D'UN TUBE FLUORESCENT L'invention concerne un dispositif de contrôle d'un tube fluorescent alimenté à partir d'une source de tension continue. L'éclairage des habitations comme des locaux collectifs ou industriels utilise de nombreux tubes fluorescents alimentés à partir du réseau alternatif public de distribution électrique 220V/50Hz. Les caractéristiques propres des tubes fluorescents imposent dans chaque luminaire la présence d'un allumeur pour amorcer la décharge électrique à travers le tube et d'un ballast pour imposer l'intensité du courant malgré la zone à résistance négative de la courbe courant / tension du tube. Pour le contrôle des tubes fluorescents, des circuits électroniques ont été mis au point afin de remplacer l'allumeur et le ballast par des dispositifs statiques semi-conducteurs. Ces circuits sont usuellement des convertisseurs résonnants ou des convertisseurs à accumulation. Les dispositifs proposés sont en général basés sur l'utilisation d'un convertisseur résonnant comme celui décrit dans l'article: "Le contrôle électronique des tubes fluorescents - Michael BAIRANZADE - Electronique de puissance N 30". Cette structure électronique est bien adaptée au secteur 220V/50Hz mais se prête mal au fonctionnement à partir d'une source continue à tension basse, comme une batterie de 12V. La présence de deux transistors de puissance en série conduit dans ce cas à des rendements énergétiques trop faibles, incompatibles avec une durée entre les recharges acceptable par l'utilisateur. Par contre la structure du convertisseur à accumulation est rejetée pour une utilisation sur le secteur à cause de la tension trop importante imposée au transistor de puissance. Elle convient cependant parfaitement pour une utilisation en basse tension continue, sur batterie. L'article: "Un luminaire solaire autonome Christophe BASSO - Radio Plans N 529" décrit le principe de base d'une telle réalisation. Le dispositif selon l'invention utilise aussi une structure de convertisseur à accumulation connue de l'homme de l'art, en lui apportant les améliorations nécessaires pour obtenir un amorçage rapide et certain du tube fluorescent en toutes circonstances, y compris à basse température, et pour protéger les circuits électroniques contre les surtensions générées en cas de retrait du tube de son support ou en cas de défaut d'amorçage. L'invention a pour objet un dispositif de contrôle d'un tube fluorescent, alimenté à partir d'une source de tension continue par l'intermédiaire d'un convertisseur à accumulation comprenant un transformateur, dont le primaire est en série avec un transistor principal, commandé par un modulateur de largeur d'impulsions, et un moyen de mesure du courant, et dont le secondaire alimente le tube fluorescent, caractérisé en ce qu'il comporte: - un pont redresseur, monté à l'opposé du secondaire, entre les électrodes de préchauffage du tube; - un transistor auxiliaire alimenté par le pont redresseur, et - un synchronisateur d'amorçage alimenté par le pont redresseur, recevant sur une entrée le signal de commande du transistor principal par le modulateur, et commandant le transistor auxiliaire par une sortie, de sorte que le blocage du transistor auxiliaire soit commandé par le synchronisateur d'amorçage en synchronisme avec le blocage du transistor principal par le modulateur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le synchronisateur comporte une bascule électronique dont une entrée est commandée par un intégrateur de la tension de sortie du pont redresseur, et dont l'autre entrée est commandée par un dérivateur du signal de blocage du transistor principal en provenance du modulateur, de façon à contrôler par l'intégrateur le temps de préchauffage du tube, et à commander par le dérivateur le basculement de la bascule et le blocage du transistor auxiliaire; - le dispositif comporte en outre un diviseur de tension alimenté par la tension aux bornes du moyen de mesure, recevant du synchronisateur le signal de commande du transistor auxiliaire, et appliquant au modulateur un signal de tension faible pendant la durée de conduction du transistor auxiliaire correspondant au temps de préchauffage du tube, et un signal de tension élevé lorsque le transistor auxiliaire est bloqué; - le diviseur de tension est constitué d'une première résistance en série avec deux résistances en parallèle dont l'une est en série avec un transistor commandé par le signal de commande du transistor auxiliaire, de sorte que, lorsque le transistor conduit, le point milieu du diviseur de tension délivre une tension faible, et lorsque le transistor est bloqué, le point milieu du diviseur de tension délivre une tension élevée; - le dispositif comporte en outre un circuit de protection alimenté par la tension du point commun au transistor principal et au primaire du transformateur, et délivrant au modulateur un signal d'inhibition de façon à bloquer le modulateur pendant un temps déterminé en cas de fonctionnement défectueux du tube; - le circuit de protection comporte un condensateur susceptible de se charger progressivement à chaque blocage du transistor principal jusqu'à atteindre un seuil d'inhibition du modulateur, et de se décharger lentement dans une résistance jusqu'à atteindre le seuil de desinhibition du modulateur; - le circuit de protection comporte un écrêteur et un deuxième condensateur, dont le point milieu est relié audit condensateur par une diode et une résistance de façon à assurer la charge progressive dudit condensateur tout en empêchant sa décharge à travers l'écrêteur; - en dehors du tube et du transformateur, l'ensemble du dispositif de contrôle est réalisé en technologie hybride; - en dehors du tube et du transformateur l'ensemble du dispositif de contrôle est réalisé sous forme de circuit intégré électronique. D'autres caractéristiques ressortiront de la description suivante faite avec référence aux dessins annexés dans lesquels: - La figure 1 représente un schéma simplifié d'un dispositif de contrôle d'un tube fluorescent, selon l'invention; - La figure 2 représente un schéma préférentiel de réalisation du synchronisateur d'amorçage de la figure 1; - La figure 3 représente un schéma préférentiel de réalisation du diviseur de tension de la figure 1; - La figure 4 représente un schéma préférentiel de réalisation du circuit de protection de la figure 1. La figure 1 représente de manière schématique le dispositif d'amorçage et d'alimentation d'un tube fluorescent 1 muni de façon connue de deux électrodes de préchauffage 2 et 3. Le convertisseur à accumulation, connu par l'homme de l'art, est constitué d'un modulateur de largeur d'impulsions 4 d'un transistor principal de commutation 5 et d'un transformateur haute fréquence 6.Le modulateur 4 pilote, à une fréquence de découpage de plusieurs KHz en général, à partir d'une sortie 7, l'état bloqué ou saturé du transistor principal 5. Le modulateur 4 dispose d'au moins une entrée de limitation de courant 8 et d'au moins une entrée d'inhibition 9. Le transistor principal 5 est relié d'une part à un moyen de mesure de courant 10 et d'autre part à une extrémité du primaire 11 du transformateur 6. L'autre extrémité du primaire 11 est relié à la source continue d'alimentation 12, en général une batterie de 12 ou 24V, mais qui pourrait aussi, entre autres, être une pile ou un panneau solaire, sans changer la nature de l'invention. Le moyen de mesure du courant 10 est en général une résistance, mais pourrait aussi, entre autres, être un transformateur de courant, une sonde de HALL, sans changer la nature de l'invention. Le transistor principal 5 lorsqu'il est rendu conducteur par la sortie 7 du modulateur 4, autorise le passage d'un courant à travers le primaire 11 et applique aux bornes de ce primaire 11 la tension de la source continue 12. Dans le même temps par l'effet du transformateur 6 une tension apparaît aux bornes du secondaire 13. Suivant l'état d'amorçage du tube 1 et l'état des autres éléments du circuit, un courant peut circuler dans 13. Lorsque le transistor principal 5 est bloqué par l'action de la sortie 7 le courant disparaît dans 11. La tension aux bornes de 13 s'inverse. Suivant l'état d'amorçage du tube 1 et l'état des autres éléments du circuit, un courant peut circuler dans 13 et une tension plus ou moins importante s'établit aux bornes de 11 et de 13. A la mise sous tension, un synchronisateur d'amorçage 14, par l'intermédiaire de sa sortie 15, rend conducteur le transistor auxiliaire 16. Le pont redresseur 17, à partir de la tension alternative existant aux bornes du secondaire 13 et des électrodes de préchauffage 2 et 3, fait circuler à travers ces électrodes un courant dont l'amplitude est fixée par une résistance 18, ce qui échauffe les électrodes 2 et 3, donc le gaz contenu dans le tube 1, afin d'obtenir un amorçage correct et rapide du tube 1 en toutes circonstances. Ce courant doit être supérieur au courant nominal du tube 1. Pendant la conduction du transistor auxiliaire 16, un diviseur de tension contrôlé 19 applique, par l'intermédiaire de sa sortie 20, sur l'entrée de limitation de courant 8 du modulateur 4, une portion déterminée de la tension aux bornes du moyen de mesure 10, qu'il reçoit sur son entrée 21. Lorsque la tension à la borne 8 atteint le seuil de limitation, le modulateur 4 bloque le transistor principal par l'action de sa sortie 7, ce qui a pour effet de limiter la valeur maximale du courant traversant le transistor 5, le moyen de mesure 10 et le primaire 11. Lorsque le transistor auxiliaire 16 est bloqué et que le tube 1 est amorcé, le diviseur contrôlé 19 réagit à la commande du transistor auxiliaire 16, issue de la sortie 15 du synchronisateur d'amorçage 14, qu'il reçoit sur son entrée 22 en appliquant, par sa sortie 20, sur l'entrée de limitation 8 la quasi totalité de la tension aux bornes du moyen de mesure 10. Le courant traversant le transistor 5, le moyen de mesure 10 et le primaire 11 est alors limité à sa valeur nominale. L'action du limiteur contrôlé 19 se traduit donc par un courant de préchauffage dans le tube 1, supérieur au courant nominal. La durée du préchauffage, donc la durée de conduction du transistor auxiliaire 16, dépend des caractéristiques du tube 1 mais est en tout état de cause limitée dans le temps. Le synchronisateur 14 reçoit respectivement sur ses entrées 23 et 24 la tension de sortie du pont redresseur 17 et le signal de commande du transistor principal 5, issu de la sortie 7 du modulateur 4. Le synchronisateur 14 intègre la tension reçue sur son entrée 23. Lorsque la valeur d'intégration atteint un seuil prédéterminé, le synchronisateur 14 bloque le transistor secondaire 16, par action de sa sortie 15, en synchronisme avec le signal reçu sur l'entrée 24, donc en synchronisme avec le blocage du transistor principal 5. La surtension obtenue au secondaire 13 est alors maximale, car à l'instant du blocage du transistor 5, c'est-à-dire de l'interruption du courant dans le transistor 5, donc du transfert d'énergie entre le primaire 11 et le secondaire 13, le courant ne peut s'établir dans le secondaire 13, puisque le tube 1 n'est pas encore amorcé et que le transistor auxiliaire 16 vient d'être bloqué. Si l'on choisit un transistor auxiliaire 16 ayant une tenue en tension supérieure à la tension d'amorçage du tube 1, la surtension maximale obtenue aux bornes du secondaire 13 amorce alors de manière sûre et efficace le tube 1 qui s'éclaire. La surtension aux bornes du secondaire 13 par l'effet du transformateur 6 apparaît aussi, dans le rapport du nombre de spires du primaire 11 et du secondaire 13, aux bornes du primaire 11. Si le tube 1 est absent ou est défectueux, refusant de s'amorcer, la surtension peut devenir destructrice pour les transistors 5 et 16, ce qui est inacceptable. Un circuit de protection 25 reçoit sur son entrée 26 la tension apparaissant sur le transistor 5 et l'écrête à un niveau autorisant l'amorçage du tube 1, en empêchant la destruction des transistors 5 et 16. Le circuit de protection 25 agit lors de chaque blocage du transistor principal 5, à la fréquence de fonctionnement du modulateur 4. Si au bout de quelques périodes l'action d'écrêtage se poursuit, cela signifie clairement que le tube 1 est absent ou refuse de s'amorcer, donc est défectueux. I1 n'est pas nécessaire que le modulateur 4 continue à fonctionner en absorbant de l'énergie sur la source continue 12 en pure perte. Si la source 12 est une batterie, la durée entre charges en sera augmentée. Si c'est une pile, sa durée de vie sera augmentée. Au bout de quelques périodes, le circuit de protection 25 par l'intermédiaire de sa sortie 27 agit sur l'entrée d'inhibition 9, ce qui arrête le fonctionnement du modulateur 4 et fait donc disparaître la surtension aux bornes du primaire 11. Après un temps déterminé, long devant la période de découpage du modulateur 4, mais imperceptible à l'oeil, le circuit de protection 25 par sa sortie 27 agissant sur l'entrée d'inhibition 9, libère le modulateur 4. Si le tube 1 est toujours absent ou défectueux, le même processus est reconduit. Si l'utilisateur a placé ou remplacé le tube 1, le cycle normal d'amorçage s'effectue. La nature physique exacte du transistor principal 5 et du transistor auxiliaire 16 est sans importance dans le cadre de l'invention. Ils peuvent par exemple être des transistors bipolaires, des transistors à effet de champ de puissance (MOS), des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), des thyristors à commande par transistor à effet de champ (MCT), sans changer la nature de l'invention. La figure 2 représente un mode de réalisation préférentiel du synchronisateur d'amorçage 14, constitué principalement d'une bascule électronique à mémoire réalisée à l'aide de deux portes logiques NON-ET 28,28'. La tension de sortie du pont redresseur 17, reliée à l'entrée 23 du synchronisateur 14, est intégrée par un réseau comprenant une résistance 29 et un condensateur 30. La tension intégrée existant aux bornes du condensateur 30 est appliquée à l'entrée 31 d'une porte logique 28. L'entrée 24 du synchronisateur 14 reçoit le signal de commande issu de la sortie 7 du modulateur 4. Un réseau dérivateur comprenant un condensateur 32 et une résistance 33 applique à l'entrée 34 de l'autre porte logique 28' des impulsions négatives synchronisées sur l'instant de blocage du transistor principal 5. Une diode zener 35 et une diode 36 assurent une protection en tension des entrées 31 et 34. A la mise sous tension, le condensateur 30 est déchargé. L'entrée 31 est au niveau logique bas, imposant un niveau logique haut sur la sortie 15 donc la conduction du transistor auxiliaire 16, donc le passage du courant de préchauffage dans les électrodes 2 et 3. Lorsque la tension intégrée sur le condensateur 30 atteint le niveau logique haut de l'entrée 31, l'impulsion négative suivante sur l'entrée 34 entraîne un changement d'état de la bascule à mémoire constituée des deux portes 28, 28'. La sortie 15 passe au niveau logique bas, bloquant le transistor 16, donc empêchant la circulation du courant de préchauffage à l'instant du blocage du transistor principal 5, assurant ainsi l'apparition de la surtension aux bornes du secondaire 13 indispensable à l'amorçage du tube 1. La figure 3 représente un mode de réalisation préférentiel du diviseur de tension contrôlé 19. Lorsque le transistor auxiliaire 16 conduit, sa commande issue de 15, reçue par l'entrée 22, rend conducteur le transistor 37. La résistance 38 est placée en parallèle sur la résistance 39. Le diviseur de tension formé par la résistance 40 et l'ensemble 38, 39 présente sur sa sortie 20 une portion de la tension aux bornes du moyen de mesure 10 arrivant sur l'entrée 21. Lorsque le transistor auxiliaire 16 est bloqué sa commande reçue par l'entrée 22 bloque le transistor 37. Le diviseur de tension formé par la résistance 40 et la résistance 39 présente alors sur sa sortie 2 la quasi- totalité de la tension aux bornes du moyen de mesure 10 arrivant sur l'entrée 21. Le procédé permet de limiter le courant traversant le transistor 5, le moyen de mesure 10, et le primaire 11 à une valeur supérieure au courant nominal, pendant la phase de préchauffage. La figure 4 représente un mode de réalisation préférentiel du circuit de protection 25. La surtension aux bornes du primaire 11 arrive sur l'entrée 26 reliée à l'écrêteur 41 et charge le condensateur 42. Une partie de la charge du condensateur 42 est transférée au condensateur 43 par la diode 44 et la résistance 45. Lorsque le transistor 5 conduit, l'écrêteur 41 est alors polarisé en direct et décharge rapidement le condensateur 42. Le condensateur 43 ne se décharge pas, car la diode 44 est alors polarisée en inverse. Au blocage du transistor 5, le condensateur 43 reçoit une nouvelle charge et sa tension s'élève ainsi progressivement. Lorsqu'elle atteint le seuil d'inhibition de l'entrée 9 du modulateur 4, reliée à la sortie 27, le modulateur 4 se bloque. Les condensateurs 42 et 43 ne reçoivent plus de charge, mais au contraire, se déchargent lentement dans la résistance de forte valeur 46. Lorsque le seuil de désinhibition de l'entrée 9 est atteint le modulateur redémarre et le cycle reprend ou le tube 1 s'amorce. Une diode zener 47 limite la tension sur la sortie 27. Selon l'invention, en dehors du tube 1 et du transformateur 6, l'ensemble du dispositif de contrôle est avantageusement réalisé soit en technologie hybride, soit sous forme de circuit intégré électronique. ti1 REVENDICATIONS 1. Dispositif de contrôle d'un tube fluorescent, alimenté à partir d'une source de tension continue par l'intermédiaire d'un convertisseur à accumulation comprenant un transformateur, dont le primaire est en série avec un transistor principal, commandé par un modulateur de largeur d'impulsions, et un moyen de mesure du courant, et dont le secondaire alimente le tube fluorescent, caractérisé en ce qu'il comporte: - un pont redresseur (17), monté à l'opposé du secondaire (13), entre les électrodes (2, 3) de préchauffage du tube (1); - un transistor auxiliaire (16) alimenté par le pont redresseur (17), et - un synchronisateur d'amorçage (14) alimenté par le pont redresseur (17), recevant sur une entrée (24) le signal de commande du transistor principal (5) par le modulateur (4), et commandant le transistor auxiliaire (16) par une sortie (15), de sorte que le blocage du transistor auxiliaire (16) soit commandé par le synchronisateur d'amorçage (14) en synchronisme avec le blocage du transistor principal (5) par le modulateur (4). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le synchronisateur (14) comporte une bascule électronique (28, 28') dont une entrée (31) est commandée par un intégrateur (29, 30) de la tension de sortie du pont redresseur (17), et dont l'autre entrée (34) est commandée par un dérivateur (32, 33) du signal de blocage du transistor principal (5) en provenance du modulateur (4), de façon à contrôler par l'intégrateur (29, 30) le temps de préchauffage du tube (1), et à commander par le dérivateur (32, 33) le basculement de la bascule (28, 28') et le blocage du transistor auxiliaire (16). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un diviseur de tension (19) alimenté par la tension aux bornes du moyen de mesure (10), recevant du synchronisateur (14) le signal de commande du transistor auxiliaire (16), et appliquant au modulateur (4) un signal de tension faible pendant la durée de conduction du transistor auxiliaire (16) correspondant au temps de préchauffage du tube (1), et un signal de tension élevé lorsque le transistor auxiliaire (16) est bloqué. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le diviseur de tension (19) est constitué d'une première résistance (40) en série avec deux résistances (38, 39) en parallèle dont l'une (38) est en série avec un transistor (37) commandé par le signal de commande du transistor auxiliaire (16), de sorte que, lorsque le transistor (37) conduit, le point milieu (20) du diviseur de tension (19) délivre une tension faible, et lorsque le transistor (37) est bloqué, le point milieu (20) du diviseur de tension (19) délivre une tension élevée. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit de protection (25) alimenté par la tension du point commun au transistor principal (5) et au primaire (11) du transformateur (6), et délivrant au modulateur (4) un signal d'inhibition de façon à bloquer le modulateur (4) pendant un temps déterminé en cas de fonctionnement défectueux du tube (1). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit de protection (25) comporte un condensateur (43) susceptible de se charger progressivement à chaque blocage du transistor principal (5) jusqu'à atteindre un seuil d'inhibition du modulateur (4), et de se décharger lentement dans une résistance (46) jusqu'à atteindre le seuil de desinhibition du modulateur (4). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit de protection (25) comporte un écrêteur (41) et un deuxième condensateur (42), dont le 1 3 point milieu est relié audit condensateur (43) par une diode (44) et une résistance (45) de façon à assurer la charge progressive dudit condensateur (43) tout en empêchant sa décharge à travers l'écrêteur (41). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'en dehors du tube (1) et du transformateur (6), l'ensemble du dispositif de contrôle est réalisé en technologie hybride. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'en dehors du tube (1) et du transformateur (6) l'ensemble du dispositif de contrôle est réalisé sous forme de circuit intégré électronique.