Brevet FR2830405A1 — publié le 20030404

La présente invention concerne un ballast électronique pour maîtriser la puissance absorbée par une lampe à décharge, ainsi que le procédé mis en oeuvre dans ce dispositif. L'invention trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine de lampes à décharge équipant un réseau d'éclairage. Elles sont traditionnellement alimentées en énergie à travers des ballasts ferromagnétiques. Or le flux lumineux émis par ces lampes est fortement influencé par les variations de la tension électrique du réseau d'éclairage et l'état de vieillissement de la lampe. Par ailleurs, les dépenses en énergie électrique consommée pour l'éclairage public représentent une part suffisamment importante des budgets des collectivités locales pour inciter les gestionnaires de ces réseaux à chercher des solutions techniques d'économie d'énergie dans ce domaine. Pour ce faire, il est essentiel d'aboutir à une maintenance efficace consistant par exemple à optimiser le dispositif d'alimentation de chaque lampe à décharge de façon à allonger la période de remplacement de ces lampes. Le brevet ? FER 2 684 511 déposé par M. BOUDAN divulgue un dispositif permettant de maîtriser la puissance absorbée par des lampes à décharge alimentées par un courant de moyenne fréquence et comportant une unité centrale fournissant, par l'intermédiaire de lignes de liaison, une tension continue à des générateurs alimentant des lampes à décharge, les lignes de liaison transmettant à la fois l'énergie et la consigne de courant de lampe, grâce à des circuits de transformation placés dans les générateurs. Le ballast électronique 1 selon l'invention est constitué d'un bloc individuel autonome et indépendant permettant d'alimenter chaque lampe à décharge à partir d'un réseau de distribution de courant alternatif de type courant, souterrain (candélabres) ou aérien, ce bloc comprenant une partie alimentation 2 et un étage oscillateur 3 (figure 1). Le rôle du module alimentation 2 est de convertir la tension alternative du réseau électrique 4 en tension continue 5 alimentant le module oscillateur 3. Le module d'alimentation 2 est composé d'un convertisseur dont l'amplitude de la tension de sortie s'ajuste automatiquement en fonction de la charge et des besoins, la charge étant représentée par la lampe à décharge 6, et les besoins par le niveau d'éclairement souhaité à un moment déterminé. La variation du niveau d'éclairement correspond au passage d'un niveau de puissance donnée à un autre niveau, par exemple inférieur selon une pente de décroissance de plusieurs minutes. La commande de cette variation peut provenir d'un élément modulaire distinct, non représenté, comprenant : - une entrée relayée ou opto-isolée - un étage de réception à courant porteur - un étage GSM ou tout autre technique de communication hertzienne ; et - un étage ayant des fonctions d'horloge astronomique. Cet élément modulaire, comprenant éventuellement une puce électronique, peut également recevoir la commande de mise en route de l'éclairage de la lampe à décharge. L'étage oscillateur 3 comporte un circuit oscillant alimentant une lampe à décharge disposée en série avec une bobine. Le circuit oscillant est alimenté au moyen d'un diviseur de potentiel réalisé au moyen de deux condensateurs. Un dispositif push-pull comprenant deux transistors de puissance permet d'ajuster l'amplitude de la tension du circuit oscillant alimentant la lampe à décharge. Ce dispositif push-pull détecte une image de la tension d'alimentation de la lampe au moyen d'un transformateur dont l'enroulement primaire constitue une bobine du circuit oscillant et deux enroulements secondaires sont disposés au sein du dispositif push-pull. Les deux transistors de puissance jouent le rôle de commutateurs. La commande de blocage d'un commutateur, atteint un seuil pour lequel un transistor dans le circuit push-pull devient passant. Or, le blocage de chaque commutateur ne se produit pas immédiatement car le courant du commutateur doit dépasser un seuil de diode, c'est à dire 0,7 volt environ, le niveau de commutation. Ce retard augmentant avec la fréquence d'oscillation est une source de pertes de commutation que se traduisent par une élévation de la température des commutateurs, donc une diminution de la durée de vie des transistors de puissance puisque fonctionnant dans des conditions extrêmes. La présente invention a pour but d'optimiser la durée de vie des ballasts électroniques alimentant des lampes à décharge en évitant toute élévation de température. Un autre but de l'invention est d'obtenir un ballast électronique dépourvu de transformateur à deux enroulements pour l'obtention d'une image de la tension d'alimentation de la lampe. On atteint les objectifs ci-dessus avec un dispositif ballast électronique pour alimenter une lampe à décharge en tension variable, ce dispositif comprenant un module oscillateur pour générer cette tension variable et étant alimenté en tension continue via un diviseur de tension réalisé au moyen d'au moins deux condensateurs. Selon l'invention, le module oscillateur comprend en outre : - un étage amplificateur-soustracteur pour générer une première tension image de la tension variable, et - un étage push-pull doté d'au moins deux comparateurs sans seuil pour comparer la tension avec une seconde tension correspondant au courant d'alimentation de la lampe à décharge. L'étage push-pull comprenant deux parties fonctionnant en alternance, chaque partie peut comprendre : - au moins une diode disposée entre une entrée d'un comparateur et la sortie de l'étage amplificateur-soustracteur, - un transistor de puissance connecté à la sortie de ce comparateur, et - un dispositif de mesure de courant pour mesurer le courant traversant le transistor de puissance et générer la seconde tension via une résistance à l'autre entrée du comparateur. Avec un tel dispositif, on élimine les pertes de commutation en utilisant deux comparateurs sans seuil permettant un blocage franc des transistors de puissance. On évite ainsi l'élévation de température et les transistors de puissance peuvent fonctionner dans des conditions optimales. L'image de la tension est donnée par un amplificateur-soustracteur, ce qui évite l'emploi d'un transformateur à deux enroulements comme c'est le cas dans l'art antérieur avec le document FR 2 684 511. Un tel transformateur à deux enroulements est généralement encombrant et engendre des problèmes liés à la compatibilité électromagnétique. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le dispositif de mesure du courant comprend un capteur de courant à effet hall. L'homme du métier comprendra aisément que toute autre circuit équivalent de mesure de courant peut être utilisé. La lampe à décharge peut être disposée en série avec une bobine de stabilisation pouvant notamment être connectée à un circuit d'amorçage de la lampe à décharge. La tension d'alimentation de la lampe étant sous forme de créneau, le courant qui circule dans cette lampe à travers la bobine de stabilisation est sous forme de dents de scie dont la valeur de crête détermine l'amplitude de la tension d'alimentation. De préférence, chaque comparateur est disposé sur un circuit imprimé placé à proximité de chaque transistor de puissance. Avantageusement, le dispositif selon l'invention peut en outre comprendre des moyens modulaires pour effectuer la mise en route et pour ajuster l'amplitude du niveau d'éclairement de la lampe à décharge. Ces moyens modulaires peuvent comprendre un élément comprenant une entrée relayée ou opto-isolée, un étage de réception à courant porteur, un étage de communication hertzienne et un étage servant d'horloge astronomique. Le dispositif pourra en outre être équipé d'un détecteur électronique de défauts et pannes envoyant les informations à un organisme de contrôle soit en transmission par fréquence sur le réseau d'alimentation, soit par un fil pilote. Suivant un autre aspect de l'invention il est proposé un procédé d'alimentation d'une lampe à décharge en tension sous forme de créneau au moyen d'un oscillateur. Ce procédé comprend les étapes permettant de : - définir une première tension, cette tension étant une image de la tension d'alimentation de la lampe à décharge, - comparer cette première tension à une seconde tension, cette seconde tension étant une image du courant d'alimentation de la lampe à décharge, et - réaliser, puisque le courant d'alimentation est sous forme de dents de scie, une double comparaison au moyen d'un dispositif push-pull sans seuil véhiculant ce courant d'alimentation de la lampe à décharge. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels : la figure 1, déjà mentionnée, est un schéma électronique simplifié du ballast électronique selon l'invention ; la figure 2 représente le schéma de principe de la structure de puissance du convertisseur"flyback" ; la figure 3 montre les formes d'ondes de courant du convertisseur "flyback" ; et la figure 4 est un schéma général de la disposition de l'étage oscillateur. Le dispositif d'alimentation, figure 2, se présente sous la forme d'une structure de type"flyback"qui présente une isolation galvanique, et dans laquelle : 11 est un filtre CEM 12 un pont redresseur 13 un commutateur de puissance 14,15 le primaire et le secondaire d'un transformateur à entrefer 16 une diode rapide 17 un condensateur 18 le circuit électronique de commande du commutateur 3 19 un dispositif de mesure de l'amplitude de la tension d'alimentation Le convertisseur"flyback"en démagnétisation complète présente les formes d'ondes de courant présentées à la figure 3, où : le est le courant d'entrée 12 est le courant secondaire m est le rapport de transformation x est le temps de conduction du commutateur 13 Td est la durée d'un cycle de fonctionnement La valeur moyenne de la tension de sortie Vs et du courant absorbé sont donnés par les expressions suivantes : E2. X2 Tension de sortie Vs =------------ 2L. Fd. ls E. x2 Courant absorbé le =--- 2LFd E est la valeur de la tension instantanée du réseau Fd est la fréquence de découpage x est le temps de conduction du commutateur 13 L est la self inductance du primaire de 14 A partir de ces relations, on montre que la résistance équivalente au convertisseur vis à vis de son bus d'alimentation est : E 2LFd Réq =--=--,-le x Il apparaît ainsi qu'en mode de conduction discontinue le comporte- ment de ce convertisseur est purement résistif vis à vis de la tension d'entrée et indépendant de la charge constituée par le générateur de fréquence. Or dans le cas du fonctionnement d'une lampe à décharge, le plasma reste ionisé au delà d'une fréquence de 3 khz. Une analyse à l'oscilloscope des courbes de tension et de courant montre qu'elles sont superposables. On peut ainsi définir une résistance de valeur connue à régime stabilisée dont la valeur augmente avec le vieillissement. Ainsi la puissance instantanée consommée est égale à : E 2 E 2. X2 E2 E2. X2 Req 2L. Fd En assurant la constance du produit E2. x2 on obtient une puissance moyenne constante indépendante des variations de la tension du réseau d'alimentation électrique. L'énergie prélevée à chaque période est constante. Elle est transférée aux pertes près, dans le circuit secondaire où elle se matérialise sous la forme de tension Vs défini par le rapport de transformation m vu précédemment. La puissance consommée par la lampe est égale à : Us = tension d'alimentation de la lampe R = résistance représentant la lampe Nous avons vu que cette puissance est constante. Toute variation de l'état de la lampe, c'est à dire le vieillissement, va se traduire par une augmentation de la résistance R et par conséquence par une augmentation de la tension d'alimentation Vs. On arrive ainsi à une caractéristique essentielle qui est le maintien du flux lumineux émis par la lampe. Il faut bien sur limiter la tension de sortie Us dans le cas où la puissance ne serait pas consommée par la charge par exemple dans le cas ou la lampe est défectueuse. De préférence, le module d'alimentation 2 comportera un écréteur à l'entrée. Sur la figure 4, on voit un module oscillateur alimenté en tension continue 5 via deux condensateurs 20 et 21. La lampe à décharge 6 est disposée en série avec une bobine de stabilisation 22. Cette bobine est connectée à un dispositif d'amorçage 37 par lequel transite des consignes de commande de l'intensité lumineuse de la lampe à décharge 6. Le dispositif d'amorçage 37 comprendra avantageusement un circuit à impulsions d'amplitude croissante permettant d'augmenter la durée de vie da la lampe à décharge 6 en provoquant dans toutes les circonstance son amorçage à la tension la plus basse possible. Le système d'amorçage pourra également être constitué d'un circuit intégré de contrôle à très basse consommation conforme à celui décrit dans le brevet ? FR 2 672 458 déposé par le demandeur et comportant un double multivibrateur délivrant des impulsions d'amorçage basse fréquence, de l'ordre de trois à quatre hertz. Le rôle du module oscillateur est d'alimenter la lampe à décharge à une fréquence toujours supérieure aux fréquences audibles, c'est à dire supérieur à 20 Khz. La tension d'alimentation de l'ensemble lampe à décharge 6 et bobine 22 est sous forme d'un signal carré dont l'amplitude dépend de la valeur crête du courant traversant cette lampe à décharge. Le module oscillateur comprend principalement deux étages 25 et 26. L'étage 25 est un montage amplificateur-soustracteur réalisé autour d'un amplificateur opérationnel A3. Il est alimenté en entrée par la tension d'alimentation de la lampe à décharge 1. Le signal généré à la sortie A de l'étage 25 est une tension proportionnelle à la tension d'alimentation de la lampe à décharge. Le coefficient de proportionnalité dépend des valeurs des résistances disposées dans le montage 25. L'étage 26 est un montage push-pull permettant de faire conduire en alternance les transistors de puissance 33 et 34 en fonction de la première tension en A et des tensions secondaires en B et C. L'étage push-pull 26 comprend deux modules comparateurs 27 et 28 et deux diodes 29 et 30 pour éviter que la tension en A soit appliquée simultanément dans les modules comparateurs 27 et 28. Le courant d'alimentation de la lampe à décharge 6 est sous forme de dents de scie. Pour chaque rampe ascendante et descendante du courant d'alimentation, une des deux diodes 29 ou 30 est passante. Lorsque la diode 30 est passante, le module comparateur 28 est activé. Ce module comparateur comprend un comparateur AI pour commander le transistor de puissance 33 via une résistance. Ainsi, lorsque la diode 30 est passante la tension en A se retrouve à l'entrée du comparateur A1. Cette tension en A est comparée à la tension C représentant une image du courant traversant le transistor de puissance 33 via le dispositif capteur de courant 32. La tension en C est obtenue aux bornes de la résistance 31. Lorsque le courant d'alimentation de la lampe à décharge 6 augmente, la tension en C aux bornes de la résistance 31 augmente également jusqu'à atteindre la valeur de la tension en A. C'est alors que le comparateur AI bascule de façon à bloquer de façon franche le transistor de puissance 33. Contrairement à l'art antérieur, le dispositif selon l'invention ne permet pas un retard de commutation du transistor de puissance 33, ce retard se traduisant par une élévation de température néfaste au bon fonctionnement du dispositif. Lorsque le transistor de puissance 33 se bloque, le courant d'alimentation de la lampe à décharge 6 change de pente et la tension d'alimentation de cette lampe bascule. C'est alors que la diode 29 devient passante tandis que la diode 30 est bloquée. De la même façon que le module comparateur 28 précédemment, c'est le module comparateur 27 qui devient actif. Le comparateur A2 compare la tension en A et la tension en B. Cette tension en B mesurée aux bornes de la résistance 35 est une image du courant traversant le transistor de puissance 34 et mesuré par le dispositif capteur de courant 36. En d'autres termes, la tension d'alimentation de la lampe à décharge 6 est un signal carré dont l'amplitude est la résultante d'une comparaison entre le courant traversant cette lampe à décharge (mesuré par les dispositifs capteurs 32 et 36) et un point de fonctionnement (tension en A) défini par le montage amplificateur-soustracteur 25. Lorsque ce point de fonctionnement est atteint, un des circuits comparateurs AI ou A2 bloque alors le transistor de puissance 33 ou 34 correspondant. Les dispositifs capteurs de courant 32 et 36 sont des capteurs de courant à effet hall ou tout autre élément permettant de mesurer un courant. REVENDICATIONS 1 . Ballast électronique d'alimentation d'une lampe à décharge à puissance variable comprenant un module oscillateur (3) générant ladite tension variable et étant alimenté en tension continue (5) via un diviseur de tension réalisé au moyen d'au moins deux condensateurs (20,21), caractérisé en ce qu'il comporte un module d'alimentation (2) à puissance constante apte à convertir la tension alternative du réseau électrique (4) en tension continue (5) alimentant le module oscillateur (3). 20. Ballast électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module d'alimentation (2) est constitué d'une structure de type"flyback"à isolation galvanique par transformateur (14,15) à entrefer. 3 . Ballast électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le convertisseur"flyback"du module d'alimentation (2) est agencé pour présenter, en mode de conduction discontinue, un comportement purement résistif vis à vis de la tension d'entrée et indépendant de la charge constituée par le module oscillateur (3), de façon à obtenir une puissance moyenne constante indépendante des variations de la tension du réseau d'alimentation électrique (4). 4 . Ballast électronique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module d'alimentation (2) comporte un écrêteur à l'entrée. 5 . Ballast électronique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module oscillateur (3) comprend : - un étage amplificateur-soustracteur (25) pour générer un première tension image de la tension variable, et - un étage push-pull (26) doté d'au moins deux modules comparateurs (27,28) sans seuil pour comparer la première tension avec une seconde tension correspondant au courant d'alimentation de la lampe à décharge (6). 6 . Ballast électronique selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étage push-pull (26) comprend deux parties fonctionnant en alternance, chaque partie comprenant au moins une diode (29,30) disposée entre une entrée d'un comparateur (A 1, A2) et la sortie de l'étage amplificateur-soustracteur (25), un transistor de puissance (33,34) connecté à la sortie de ce comparateur et un dispositif de mesure de courant pour mesurer le courant traversant ledit transistor de puissance et générer la seconde tension via une résistance (31,35) à l'autre entrée dudit comparateur. 7 . Ballast électronique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de mesure de courant (32,36) comprend un capteur de courant à effet hall. 8 . Ballast électronique selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que chaque module comparateur (27,28) est disposé sur un circuit imprimé placé à proximité de chaque transistor de puissance. 9 . Ballast électronique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif d'amorçage (37) de la lampe à décharge (6) comprenant un circuit à impulsions d'amplitude croissante assurant un amorçage à la tension la plus basse possible. 10 . Ballast électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif d'amorçage (37) de la lampe à décharge (6) constitué d'un circuit intégré de contrôle à très basse consommation comportant un double multivibrateur délivrant des impulsions d'amorçage basse fréquence, de l'ordre de trois à quatre hertz. 11". Ballast électronique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en qu'il comprend des moyens modulaires pour ajuster l'amplitude du niveau d'éclairement de la lampe à décharge (6). 12 . Ballast électronique selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens modulaires comprennent une entrée relayée ou opto-isolée, un étage de réception à courant porteur, un étage de communication hertzienne et un étage servant d'horloge astronomique. 13 . Ballast électronique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en qu'il est équipé d'un détecteur électronique de défauts et pannes envoyant les informations à un organisme de contrôle soit en transmission par fréquence sur le réseau d'alimentation, soit par un fil pilote.