Brevet FR2745460A1 — publié le 19970829

PROCEDE ET DISPOSITIFS D'ALIMENTATION DE LAMPES A DECHARGE EN HAUTE FREQUENCE PAR COUPLAGE RESONANT ADAPTE DOMAINE TECHNIQUE. Cette invention est relative au domaine de l'alimentation en haute fréquence des lampes à décharge. Elle concerne en particulier, I'amélioration du rendement lumineux global de ces lampes et l'accroissement de la durée de vie des éléments éclairants, nous utiliserons le terme "lampe à décharge" ou "lampe" celui-ci s'appliquera à tout dispositif comportant une enceinte close, contenant un gaz et éventuellement d'autres éléments et dont la fonction principale sera de convertir l'énergie électrique en radiations millimétriques ou submillimétriques, appartenant ou non au spectre visible. ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE. Les principes d'alimentation en haute fréquence des lampes à décharge sont connus depuis longtemps. L'un des problèmes généraux rencontrés dans cette approche, consiste à améliorer le rendement global de l'ensemble : lampe et alimentation, Différents modes d'alimentation en haute fréquence ont été utilisés dans ce but, tels que ceux décrits dans le document référencé : GB 2.163.014 A qui utilise des éléments FET de puissance pour améliorer le rendement, mais qui nécessite un filtrage important et coûteux sans lequel des perturbations de l'environnement radioélectrique sont fréquents. De nombreux dispositifs d'alimentation, basés sur les mêmes principes ne permettent pas encore d'obtenir un rendement satisfaisant, par ailleurs, il est encore fréquent d'utiliser dans le même dispositif, une alimentation HF et des dispositifs de préchauffage ou même d'amorçage , ce qui nuit gravement à la durée de vie de la lampe à décharge, par ailleurs un contrôle, même très partiel, de la réponse spectrale des lampes à décharge n'est pas proposé, notons encore que le démarrage à basse température de ces dispositifs produit généralement, lorsqu'il est possible, une puissante impulsion électro-magnétique, enfin les dispositifs actuels peuvent provoquer des phénomènes de striation dans les lampes. L'INVENTION: II a été constaté que les différentes approches décrites dans l'état antérieur ne considèrent la lampe (ou tube) à décharge que comme un transducteur énergie électrique / énergie lumineuse. La présente invention prend en compte de manière originale, I'aspect émetteur d'une lampe à décharge et se propose d'appliquer à celle-ci les méthodes utilisées pour des antennes d'émission en radiofréquence. C'est donc un but de la présente invention de proposer une amélioration sensible du rendement lumineux global d'une lampe à décharge par une nouvelle approche du couplage entre l'alimentation et les lampes à décharge en appliquant au couplage de la dite lampe des méthodes identiques à celles mises en oeuvre dans le couplage des antennes d'émission radiofréquence Un but complémentaire de la présente invention est la très forte réduction des perturbations radio-électriques, grâce au référencement à un plan de masse lié à la lampe à décharge, de l'onde sinusoïdale d'alimentation de la lampe. Un autre but complémentaire de la présente invention est l'accroissement de la durée de vie des lampes à décharge par la non utilisation d'éléments de préchauffage et l'emploi de conditions d'amorçage et d'entretien du flux lumineux beaucoup moins destructives. Un autre but complémentaire de la présente invention réside dans une possibilité de contrôle partiel de la réponse spectrale et de l'intensité lumineuse par l'utilisation des caracté ristiques de ce nouveau mode de couplage. Un autre but complémentaire de la présente invention est la possibilité de réaliser, grâce au mode de couplage, une illumination synchrone puissante, à haut rendement et faible dissipation thermique. Un autre but complémentaire de l'invention réside en une capacité de mise en service de la lampe (ou tube) à décharge à basse température minimisant les radiations indésirables en raison de la méthode de couplage. Un autre but complémentaire de l'invention consiste en une diminution considérable de la dissipation thermique des lampes ou tubes à décharge en raison du rendement du couplage. Un autre but complémentaire de la présente invention est la diminution du stress visuel lié à l'éclairage par utilisation de synthèse d'ondes périodiques de fréquence élevée attaquant le coupleur. Un autre but complémentaire de la présente invention est l'atténuation du phénomène de striation bien connu dans les tubes à décharge alimentés en haute fréquence, par l'application au coupleur d'une tension alternative contrôlée ou wobbulée en fréquence. Ces buts sont atteints par un procédé utilisant le couplage résonant adapté de la charge représentée par le tube et son environnement.. On en réfèrera à la figure 1 présentant un premier modèle d'architecture d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, suivant l'invention. le dispositif d'alimentation de la lampe ou tube à décharge se compose: - D'un générateur de tension alternative de haute fréquence (G) pouvant être analogue à un type quelconque de l'art antérieur. - D'un dispositif d'adaptation (A) à la charge (L), configuré comme l'adaptateur d'une antenne d'émission en radiofréquence, analogue à un type quelconque de l'art antérieur de ce domaine. - D'un nouveau dispositif de couplage (C) qui permet le référencement par un élément de couplage (Ec) d'une zone (z) de la charge (L) constituée par une lampe à décharge, laquelle peut être d'un type quelconque, par exemple : tubes fluorescents, néons ou divers gaz et solides associés ou non, vapeur de sodium, HID etc, I'homme de métier comprendra que cette liste n'est pas exhaustive et que l'invention peut s'appliquer à tout type de lampe ou tube à décharge utilisé pour produire des radiations visibles ou non. Le nouveau dispositif de couplage (C) réalise un meilleur transfert d'énergie, ce qui accroit notablement le rendement lumineux, réduit l'émission de radiations indésirables, simplifiant ainsi le filtrage de la dite tension alternative de haute fréquence et diminue les contraintes physiques d'amorçage et d'entretien du flux lumineux ainsi que les contraintes thermiques, accroissant de ce fait fortement la durée de vie de la lampe. Selon les réalisations, le générateur sera adapté à une alimentation par une source de tension alternative ou continue, haute ou basse tension, (secteur, piles, batteries ou autres), sa fréquence sera fixe ou variable, asservie ou non, de la même manière, le niveau d'éclairement sera fixe ou variable, avec ou sans asservissement. On se réfèrera à la figure 2 pour la description d'un premier exemple de réalisation particulière de l'invention comprenant -Un générateur de haute fréquence(G) composé comme suit Un oscillateur HF (O) dont la fréquence peut être réglée par un circuit de commande (R), autonome ou asservi à un signal disponible sur une entrée (E), contrôle un circuit transposeur de niveau (T) qui commande un étage commutateur de puissance (P) aboutissant ainsi à la synthèse d'une onde tension HF sinusoïdale. L'emploi de ce dispositif, appliqué à l'invention, contribue, contrairement à de nombreux systèmes résultant de l'art antérieur, à l'élimination d'un dispositif de filtrage coûteux, participant également à l'accroissement du rendement et à l'élimination des rayonnements indésirables. - Un adaptateur série (A) constitué d'une inductance (I), pouvant être réglable et servir de contrôle de l'intensité lumineuse et d'un condensateur (Cp). - Un couplage (C) réalisé, dans cet exemple, par une électrode du type grille (Gr) reliée à la masse (M), positionnée à proximité d'une zone située sur la lampe (L) ce mode de couplage apporte par rapport à l'art antérieur un rendement accru qui se traduit également par une réduction considérable de l'échauffement de la lampe La figure 3 présente un second mode de réalisation particulière de l'invention comprenant un générateur HF (G) analogue à celui de la figure 2. Un adaptateur série (A) analogue à celui de la figure 2, complété par une capacité complémentaire (Cc) appliquée aux électrodes de pré chauffage des lampes à décharge utilisant ces dispositifs. Le couplage est réalisé par un dispositif analogue à celui de la figure 2. La figure 4 décrit d'autres modes de réalisation possibles de l'invention comprenant Un générateur (G)analogue à celui de la figure 2. Un adaptateur (A) pouvant être, par exemple, celui de la figure 2 ou de la figure 3. Un élément de coupleur (C) pouvant être Figure 4a : une grille reliée à la masse. Figure 4b : une surface métallique de forme quelconque reliée à la masse Figure 4c : un fil relié à la masse. Figure 4d : une électrode en réseau reliée à la masse. Figure 4e : une électrode interne à la lampe, reliée à la masse. Figure 4f: un ensemble d'électrodes externes dont l'une est reliée à la masse Là encore, I'homme de métier comprendra que tout couplage analogue à celui d'une antenne en radiofréquences, employant tous types et toutes combinaison d'électrodes internes ou externes utilisées sur toute forme de lampes ou tubes à décharge en appliquant le principe de couplage défini dans le procédé, répond à la définition de cette invention. Concernant les applications industrielles, I'homme de l'art comprendra que l'invention s'applique au domaine de l'éclairage, tant fixe que mobile, public, industriel et domestique, les applications suivantes, non limitatives, illustreront ces possibilités Intégration à la fabrication de ballasts électroniques à haut rendement offrant, économiquement, une compatibilité électromagnétique de haut niveau, répondant inté graiement aux nouvelles normes Européennes, ces ballasts couvriront tous les types de luminaires d'éclairage de la lampe portative au projecteur extérieur de forte puissance, mais également les enseignes lumineuses utilisant les tubes à gaz en leur offrant la compatibilité aux normes CEM les générateurs de rayonnements situés hors du spectre visible, les dispositifs d'éclairage synchronisés employés dans le domaine de la mesure et de la visualisation, REVENDICATIONS 1 ) Procédé d'alimentation pour des lampes à décharge en haute fréquence par couplage résonant adapté comprenant les étapes suivantes: - Génération d'une tension de haute fréquence (G) - Adaptation de la dite tension alternative de haute fréquence à une charge constituée d'une lampe à décharge (L) par l'intermédiaire d'un circuit résonant utilisant un adaptateur (A) , équipé d'un dispositif de couplage (C) caractérisé en ce que: Une zone (z) de la dite charge située entre les points d'application de la dite tension alternative est référencée à un potentiel déterminé, compris entre les valeurs extrêmes de la dite tension alternative par l'intermédiaire d'un élément de couplage (Ec) situé à proximité de ladite zone. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on commande en outre la fréquence du générateur de tension alternative de haute fréquence pour commander la réponse spectrale. 3 ) Procédé selon la revendication 2 ,caractérisé en ce que l'on fait varier la fréquence dudit générateur par un signal périodique pour le blanchiment de la réponse spectrale 4 ) Dispositif d'alimentation pour des lampes à décharge en haute fréquence par couplage résonant adapté comprenant: - Un générateur de tension alternative de haute fréquence (G). - Des moyens d'adaptation de la dite tension alternative de haute fréquence à une charge constituée d'une lampe à décharge (L) par l'intermédiaire d'un circuit résonant d'adaptation (A) équipé d'un coupleur (C) caractérisé en ce que un élément de couplage (Ec) situé à proximité d'une zone de la dite charge située entre les points d'application de la dite tension alternative, fournit une tension de référence d'un potentiel compris entre les valeurs extrêmes de la dite tension alternative pour référencer ladite zone à la tension dite de référence. 5 ) Un dispositif d'alimentation selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit élément de couplage est un plan de masse. 6 ) Un dispositif d'alimentation pour des lampes à décharge selon la revendications 4 caractérisé en ce que ledit élément de couplage est un treillis métallique. 7 ) Un dispositif d'alimentation pour des lampes à décharge selon les revendications 4 et 5 dans lequel ledit élément de couplage est une électrode. 8 ) Dispositif d'alimentation pour des lampes à décharge selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 caractérisé en ce que ledit générateur de tension alternative est un générateur de tension alternative à fréquence variable. 9 ) Dispositif d'alimentation pour des lampes à décharge selon la revendication 8 dans lequel la variation de fréquence est commandée par un signal périodique. 10) Dispositif d'alimentation pour des lampes à décharge selon l'une quelconque des revendications 4 à 9 dans lequel la génération de fréquence est synchronisée par asservissement à un autre dispositif interne ou externe au dispositif ou à tout signal utile.