Brevet FR2719734A1 — publié le 19951110

La présente invention est relative à un dispositif pour l'alimentation d'une lampe du type à décharge. Elle trouve avantageusement application pour l'alimentation de lampes à décharge utilisées pour l'éclairage intérieur ou la signalisation de véhicules, notamment automobiles. Il est connu d'utiliser des tubes ou lampes à décharge, fluorescents ou non, de faible puissance, pour réaliser l'éclairage intérieur ou la signalisation des véhicules. On utilise généralement pour alimenter ce type de sources lumineuses des montages onduleurs auto- oscillants, qui convertissent des tensions continues en tensions alternatives. Pour une description sommaire de ces montages onduleurs, on pourra avantageusement se référer à la demande de brevet français de la demanderesse déposée sous le numéro 93-07.478. De tels montages génèrent des signaux à découpage à commutation rapide très chargés d'harmoniques et posent un problème de bruit électromagnétique. Egalement, ces montages impliquent des volumes d'alimentation relativement importants. La saturation et désaturation du transformateur à haute fréquence entraînant des pertes de fer rédhibitoires, il n'est pas possible de fonctionner à des fréquences très élevées, de sorte que l'encombrement du transformateur et des autres composants du montage onduleur est relativement important. En outre, il est nécessaire de prévoir des radiateurs importants au niveau du transformateur, puisque les pertes thermiques y sont principalement localisées, en raison de la saturation. Un but principal de l'invention est de résoudre ces problèmes. L'invention propose à cet effet un dispositif pour l'alimentation d'une lampe à décharge, caractérisé en ce qu'il comporte, d'une part, un oscillateur délivrant un signal qui est sinusoïdal ou qui présente peu d'harmoniques significatives et est dépourvu de fronts raides, et, d'autre part, un amplificateur recevant en entrée le signal de l'oscillateur et alimentant en sortie la lampe à décharge, le fonctionnement de cet amplificateur étant linéaire lorsque la lampe est allumée. Les composants semi-conducteurs du montage fonctionnant en régime linéaire, il est possible d'atteindre des fréquences élevées, même avec des composants peu coûteux (transistors bipolaires par exemple). A fréquence élevée, le volume du transformateur de l'amplificateur peut être rendu très faible. Il en va de même du circuit complet, le transformateur étant l'élément le plus volumineux. En outre, toutes les tensions présentes dans le circuit sont sinusoïdales. Il n'y a pas de fronts de commutation. Le système rayonne donc dans une bande très étroite autour de sa fréquence de fonctionnement: quelques harmoniques apparaissent en raison de la non- linéarité de la lampe, mais le bruit large bande est très limité. Ce type de circuit est donc très peu bruyant électromagnétiquement. Enfin, les pertes dans ce type de montage sont localisées dans les transistors. La chaleur peut être facilement évacuée, le montage de transistors sur radiateur, au moyen de vis ou d'éléments de verrouillage élastique, étant une technique bien maîtrisée par l'homme du métier. On notera par ailleurs que pour ce type de lampes, le problème du rendement énergétique de l'alimentation est moins aigu que pour les systèmes portables alimentés par piles ou les systèmes de forte puissance. Même avec une alimentation de faible rendement (60 %), le rendement global du système reste supérieur à celui des feux ou des plafonniers à incandescence. Pour réaliser l'amorçage de la lampe, l'invention propose dans un mode de réalisation préféré, d'utiliser un amplificateur, qui, lorsque la lampe n'est pas allumée, fonctionne selon un régime transitoire non linéaire, o il génère des impulsions de tension pour l'amorçage de la lampe à décharge. En variante, l'amplificateur peut présenter un gain suffisamment élevé pour fournir à la lampe une tension d'amorçage; un générateur d'impulsions peut également être monté en série avec la lampe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 représente schématiquement de façon générale un dispositif d'alimentation conforme à l'invention; la figure 2 représente schématiquement un circuit amplificateur linéaire pour la réalisation d'un dispositif d'alimentation conforme à une variante possible de l'invention; la figure 3 illustre les courbes de tension et d'intensité dans l'enroulement primaire du transformateur de l'amplificateur de la figure 2, avant l'allumage de la lampe; la figure 4 est un graphe sur lequel on a porté la valeur absolue de la valeur de la crête de tension d'amorçage ramenée à la tension E d'alimentation, en fonction de l'amplitude de la tension de l'oscillateur, pour un amplificateur du type de celui représenté sur la figure 2; la figure 5 illustre un asservissement possible de l'oscillateur alimentant l'amplificateur de la figure 2; la figure 6 représente le schéma d'un circuit amplificateur pour la réalisation d'un dispositif d'alimentation conforme à l'invention; la figure 7 représente schématiquement un circuit amplificateur pour la réalisation d'un dispositif d'alimentation conforme à une autre variante de l'invention; la figure 8 représente schématiquement un dispositif d'alimentation conforme à une autre variante encore de l'invention. L'invention a été illustrée de façon générale sur la figure 1. Le circuit 1 pour l'alimentation d'une lampe du type à décharge 2, qui y a été représenté, comprend un oscillateur 3 délivrant une tension d'entrée sinusoïdale à un amplificateur linéaire 4 sur les sorties duquel est montée la lampe 2. En variante, on peut envisager l'emploi d'un oscillateur 3 non sinusoïdal si les signaux délivrés ont peu d'harmoniques significatives et sont dépourvus de fronts raides. On a illustré sur la figure 2 un mode de réalisation préféré de l'invention. L'amplificateur 4 représenté est un amplificateur de classe A, présentant un seul transistor (référencé par 5), pour minimiser le coût du convertisseur. Le collecteur du transistor 5 est relié à l'enroulement primaire 6a d'un transformateur 6, dont l'enroulement secondaire a été référencé par 6b. L'émetteur du transistor 5 est relié à une résistance 7. Une tension constante E est imposée par une source de tension 8 (batterie sur un véhicule automobile) entre les autres extrémités de l'enroulement primaire 6a et de la résistance 7. L'oscillateur, qui n'a pas été représenté sur cette figure 2 pour ne pas alourdir les dessins, fournit une tension siusoïdale de commande Vcom entre la base du transistor 5 et l'extrémité de la résistance 7 reliée à la source 8. On note B le gain en courant du transistor 5 (B >>1), Lp l'inductance de magnétisation du transformateur (à l'enroulement primaire 6a) et Vd la tension émetteur-base du transistor 5. La tension de commande est comprise entre 0 et E et est de la forme: Vcom = Vc1 - Vc2cosWt. Lorsque la lampe 2 est allumée, son fonctionnement est assimilé à celui d'une résistance. Cette approximation est notamment justifiée lorsque la fréquence du courant de décharge est supérieure à quelques dizaines de kiloherz. Le fonctionnement d'un tel amplificateur va maintenant être décrit. Lors de la mise sous tension, la lampe 2 reste éteinte de sorte que: i2 = 0 et Vi = Lp dil dt o i2 est le courant dans l'enroulement secondaire 6b. On a représenté sur la figure 3 les courbes de la tension et du courant Vl et il dans le cas o Vcl - Vd - Vc2 = 0 (courant de polarisation minimum). Dans un premier temps, le transistor 5 fonctionne dans son domaine de linéarité correspondant à la zone I de la figure 3 et il et Vl vérifient les équations suivantes: il = Vcl - Vd - Vc2coswt et Vl = LuOVc2 sin o R R Lorsque Vl tend à devenir supérieure à E, le transistor 5 sature. Le fonctionnement est alors celui de la zone II de la figure 3, et Vl et il vérifient les équations suivantes: Vl = E, il = i0lo + E (t-to) Lp o i10 est la valeur de il au début de la phase de saturation, tO est la date de début de la phase de saturation II. Cette phase de saturation II prend fin à la date tl telle que ilo0 + E (tl-tO) = Vc]-Vd- Vc,cosf!l Lp R Par conséquent,la valeur Vl maximum de vl est égale à: si tls23Z Vl=LLtWVC2 (=V) 2 R si tl22 3, Vl V sin tl o tl est une solution de l'équation: c Vc-l V 1-(E)2 + E (tl-larsin(E))=Vc]-Vd-VccosT! R Lp w V R La figure 4 représente, pour E, LU, R, vd, Vcl et w fixés, la courbe donnant cette valeur de crête Vl en fonction de Vc2. La dépendance est presque linéaire. On voit par conséquent qu'il est possible de choisir Vc2 de façon à obtenir une tension crête à l'enroulement primaire 6a du transformateur 6 nettement supérieure à la tension d'alimentation. La flèche sur la figure 4 indique le point o wtl est égal à 3n/2. La surtension ainsi obtenue est en pratique limitée par le courant de saturation du transformateur et/ou la tension directe de claquage du transistor. Une fois la lampe 2 ainsi allumée, le fonctionnement est linéaire. Toutes les tensions et intensités Vl, il, i2 dans l'amplificateur sont des grandeurs sinusoïdales, de même pulsation. En régime établi, on a Vc2= 1 \R2E4+(LpwRVnin)2 LpwE o in et vn sont les intensité et tension nominales dans la lampe. On notera que la valeur de la résistance R est avantageusement choisie petite, de façon à minimiser les pertes. La puissance consommée par le système d'alimentation a pour expression: P1 = 1 1R2E4+ (LpwRVnin)2 (Pl = E 11 = EVc2) LpoR R La puissance consommée par la lampe est Vnin (P2). 2 Le rendement du système étant égal à p = P2, P1 ce rendement p est inférieur à 1/2 et tend vers 1/2 lorsque w tend vers l'infini. On voit qu'on a intérêt à fonctionner à fréquence élevée (en maintenant LM faible pour garder un volume de transformateur petit). L'oscillateur 3 de commande (figure 1) est choisi de façon à permettre le réglage de l'amplitude de la sinusoïde de commande Vcom. La tension de la lampe 2 étant croissante en fonction de Vc2 aussi bien à vide qu'en charge et la tension à vide devant être notablement supérieure à la tension de sortie nominale, cet oscillateur 3 est avantageusement commandé par un asservissement du courant de la lampe 2. Un tel asservissement a été illustré schématiquement sur la figure 5. Le courant i2 de la lampe 2 est relevé par un capteur 9, dont le signal de sortie est soustrait à une tension de référence Vr, pour commander un correcteur 10 dont la sortie délivre la tension Vc2 à l'oscillateur 3 délivrant la tension de commande Vcom. Le correcteur 10 est par exemple un régulateur du type PI (proportionnel-intégrateur). Lorsque la lampe 2 est éteinte, le courant i2 est nul et l'asservissement augmente considérablement Vc2 et donc la tension crête du convertisseur, ce qui va provoquer l'amorçage. Une fois la lampe 2 allumée, Vc2 diminue du fait de l'asservissement et reprend une valeur de fonctionnement en charge. D'autres types de dispositifs d'alimentation sont bien entendu possibles. En particulier, La limite de 1/2 pour le rendement peut inciter à utiliser d'autres classes d'amplificateurs et par exemple un amplificateur du type de l'amplificateur 14 de celui qui a été représenté sur la figure 6. Cet amplificateur 14 comporte en particulier un transformateur 10 dont l'enroulement secondaire alimente la lampe 2 à décharge et qui présente deux enroulements primaires. Par leur noeud commun, ces deux enroulements primaires sont reliés à une source de tension constante E, les autres extrémités de ces deux enroulements étant reliées au collecteur de transistors 11 et 12. Le noeud commun aux deux enroulements primaires du transformateur est relié par une résistance 15 au collecteur d'un transistor 13. Les émetteurs des transistors 11, 12, 13 sont reliés à la terre par l'intermédiaire de résistances référencées de 16 à 18. La base du transistor 11 est reliée à la base du transistor 13 par l'intermédiaire d'une résistance 19 en série avec un condensateur C1. La base du transistor 12 est reliée au collecteur du transistor 13 par une résistance 20 en série avec un condensateur C2. Entre la terre et l'extrémité de la résistance 20 opposée à la base du transistor 12, est montée une diode 21. Entre la terre et l'extrémité de la résistance 19 opposée à la base du transistor 11, est montée une diode 22. Une tension oscillante est fournie par un oscillateur du type de l'oscillateur 3 sur la base du transistor 13. Le rendement asymptotique de ce convertisseur est d'environ 78 % (n/4). Egalement, l'amorçage de la lampe 2 peut être réalisé autrement qu'en utilisant l'amplificateur/convertisseur en tant que générateur d'impulsions. Une autre solution consiste à utiliser des amplificateurs à gain élevé. Cependant, cette solution dégrade le rendement du convertisseur en fonctionnement nominal. On a représenté sur la figure 7 un amplificateur 24 de classe A mettant en oeuvre cette solution. Cet amplificateur comporte un transistor 25, dont le collecteur est relié à l'enroulement primaire d'un transformateur 26 et dont l'emetteur est relié à une résistance 27. La tension oscillante de commande est fournie entre l'autre extrémité de la résistance 27 et la base du transistor 25. La tension E d'alimentation est fournie entre la résistance 27 et l'enroulement primaire du transformateur 26. Va est la tension d'amorçage de la décharge et Vn et in la tension et le courant nominaux de la lampe. - L'amplitude de la plus grande tension pouvant être rencontrée à l'enroulement primaire du transformateur (le transistor restant dans son domaine de linéarité) est E. Pour assurer l'amorçage, le rapport de transformation m doit être tel que m = Va. E En fonctionnement nominal, le courant à l'enroulement primaire a une amplitude au moins égale à min et le courant de polarisation est donc également au moins égal à min = Va in et la puissance consommée est E Pl=E.min-Va.in au moins. Si le rapport de transformation est déterminé en fonction du régime établi, m = Vn et le E courant de polarisation minimum est min = Vnin À La E puissance consommée est P2 = Vnin au moins. L'amorçage par amplification conduit à augmenter la puissance consommée d'environ Pl = Va (en négligeant les courants P2 V1 de magnétisation). En variante encore, il est possible de générer la tension d'amorçage en ajoutant un générateur d'impulsions en série avec la lampe. Cette solution est traditionnelle pour les alimentations à découpage destinées aux lampes à décharge haute intensité (tubes néon - tension jusqu'à 4000 V). On pourra à cet effet avantageusement se référer à l'article: Nishimura et al Journal of the Illuminating Engineering Society, Summer 88. il Cette troisième solution est justifiée pour l'amorçage de lampes de moyenne ou de forte puissance - haute pression, donc de tension d'amorçage élevée (> 10 kV), mais conduit, pour les tubes à décharge susceptibles d'être utilisés en éclairage intérieur ou en signalisation, à des convertisseurs trop complexes, de volume et/ou de coût excessifs. Par exemple, pour les lampes décrites dans le brevet EP-0 507 679 A1 et en choisissant une longueur de tube de 30 cm, la tension d'amorçage de l'arc est de l'ordre de 2 kV et la puissance nominale de 10 W seulement. On a illustré sur la figure 8 une variante à interrupteur électromécanique permettant de pallier ces inconvénients. La lampe 2 est reliée, d'une part, à un amplificateur 34 et, d'autre part, à un noeud N sur lequel est montée une inductance B reliée à la terre par son autre extrémité, ainsi que la borne de tension supérieure d'une batterie 31. L'autre extremité de la batterie 11 est à la terre. Entre la batterie 31 et le noeud N est monté un relais Reed 32 commandé par un circuit 33. L'inductance B est une bobine en fil fin sur un circuit magnétique non fermé (bâtonnet par exemple), ce qui permet d'obtenir une valeur d'inductance élevée dans un volume raisonnable avec un courant de saturation élevé. La résistance de bobinage de B sert à limiter le courant lorsque le relais 32 est fermé. Ce relais a été modifié pour tenir 2 kV (par exemple en remplissant l'ampoule d'un gaz, à une pression convenable). La résistance de bobinage de B n'est pas gênante après l'amorçage, en raison des faibles courants nominaux des lampes considérées (10 mA pour la lampe mentionnée plus haut). REVENDICATIONS - 1. Dispositif pour l'alimentation d'une lampe à décharge (2), caractérisé en ce qu'il comporte, d'une part, un oscillateur (3) délivrant un signal (Vcom) qui est sinusoïdal ou qui présente peu d'harmoniques significatives et est dépourvu de fronts raides, et, d'autre part, un amplificateur (4, 14, 24, 34) recevant en entrée le signal (Vcom) de l'oscillateur (3) et alimentant en sortie la lampe à décharge (2), le fonctionnement de cet amplificateur (4, 14, 24, 34) étant linéaire lorsque la lampe (2) est allumée. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lorsque la lampe (2) n'est pas allumée, l'amplificateur (4) fonctionne selon un régime transitoire non linéaire, o il génère des impulsions de tension (Vl-figure3) pour l'amorçage de la lampe à décharge (2). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'amplificateur (4) comporte un transistor (5), dont le collecteur est relié à l'enroulement primaire (6a) d'un transformateur de tension (6), et dont l'émetteur est relié à une résistance (7), l'oscillateur délivrant une tension de sortie (Vcom) entre la base du transistor (5) et l'autre extrémité de la résistance (7), une source de tension constante (E) étant montée entre cette extrémité de la résistance (7) et l'autre extrémité de l'enroulement primaire (6a), l'enroulement secondaire (6b) du transformateur (6) alimentant la lampe à décharge (2). 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (9, 10) pour asservir l'amplitude de la tension en sortie (Vcom) de l'oscillateur au courant de la lampe (2). 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplificateur (24) présente un gain suffisament élevé pour fournir à la lampe (2) une tension d'amorçage. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un générateur d'impulsions (31, 32, 33) est monté en série avec la lampe (2). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le générateur d'impulsions comprend une source de tension d'amorçage (31) et un relais électromécanique (32,33) monté entre cette source (31) et la lampe (2). 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes pour l'alimentation d'une lampe à décharge servant à l'éclairage intérieur d'un véhicule, notamment automobile. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 pour l'alimentation d'une lampe à décharge servant à la signalisation d'un véhicule, notamment automobile.