Brevet FR2858110A1 — publié le 20050128

DISPOSITIF D'ALIMENTATION ELECTRIQUE DESTINE A ALIMENTER AU MOINS DEUX ELECTRODES L'invention a pour objet un dispositif d'alimentation électrique destiné à 10 fournir en énergie une structure qui comporte au moins deux électrodes associées respectivement à deux diélectriques mis en regard et écartés de façon à créer un espace dans lequel règne un gaz, le dispositif comportant un générateur de tension, un transformateur pourvu d'un enroulement primaire et d'un enroulement secondaire, I'enroulement primaire étant connecté au générateur et l'enroulement 15 secondaire étant relié aux deux électrodes pour les alimenter en tension. L'invention sera plus particulièrement décrite pour l'alimentation électrique d'une source lumineuse du type lampe plane mais peut concerner toute alimentation électrique d'une structure comportant au moins deux électrodes et un gaz destiné à être excité, les électrodes devant être alimentées en énergie de 20 manière à créer entre elles un champ électrique qui génère l'ionisation du gaz. Les lampes planes sont généralement utilisées pour la fabrication de dispositifs à écran rétro-éclairé. Elles sont constituées de deux substrats en verre maintenus avec un faible écartement l'un par rapport à l'autre, généralement inférieur à quelques millimètres, et scellés hermétiquement de manière à 25 renfermer un gaz sous pression réduite dans lequel une décharge électrique produit un rayonnement généralement dans le domaine ultraviolet qui excite une substance luminophore émettant alors de la lumière visible. Dans une structure courante de lampe plane, un substrat en verre porte sur une même face deux revêtements sérigraphies, notamment en argent, en forme 30 de peignes interpénétrés constituant une cathode et une anode. Cette face est tournée vers l'espace contenant le gaz à plasma. Un autre substrat en verre est maintenu à distance du premier par l'intermédiaire d'espaceurs ponctuels et éventuellement d'un cadre périphérique. Il se produit entre l'anode et la cathode une décharge (un champ électrique) dite coplanaire, c'est-à-dire dans une direction longeant la surface principale du substrat verrier, décharge qui excite le gaz à plasma environnant. Les électrodes sont protégées par un revêtement diélectrique destiné par limitation capacitive du courant à éviter une perte de matière des électrodes par bombardement ionique au voisinage du substrat 5 verrier. Au moins une des faces des substrats verriers tournées vers l'espace renfermant le gaz est en outre porteuse d'un revêtement de matériau luminophore, du type couramment dénommé phosphores, qui sont excités grâce à l'ionisation du gaz et émettent ainsi de la lumière. Cependant, dans une telle structure, les connecteurs électriques pour 10 l'alimentation des électrodes doivent traverser l'enceinte hermétique contenant le gaz, ce qui nécessite un système complexe de connexion. Une solution à ce problème de connexion est décrite dans la demande de brevet français FR 02/10020 qui divulgue une toute autre structure de lampe plane pour laquelle les électrodes sont non plus disposées à l'intérieur de 15 I'enceinte et de manière coplanaire, mais à l'extérieur et destinées à engendrer un champ électrique transversal à la surface des électrodes. Les électrodes sont par exemple agencées sur la face externe des substrats verriers à l'opposé du gaz et donc dans deux plans distincts. En outre, au moins une des électrodes est un élément conducteur translucide, la face 20 supportant cette électrode formant une face éclairante pour la lampe plane. Ainsi, en plaçant les électrodes à l'extérieur de l'enceinte, la connexion électrique est d'une part facilitée, et d'autre part, les substrats verriers font office d'une protection capacitive des électrodes contre le bombardement ionique du gaz. De plus, cette dernière structure propose un élément éclairant plan susceptible de procurer des possibilités nouvelles en matière de décoration, d'affichage et/ou d'architecture. Cette demande de brevet FR 02/10020 ne décrit pas par quels moyens les électrodes sont alimentées. Un simple dispositif d'alimentation peut par exemple consister en un générateur de tension délivrant une tension sinusoïdale. Un autre dispositif pouvant être utilisé est par exemple celui donné dans le brevet américain US 5 604 410. Ce dispositif d'alimentation comporte une source d'alimentation en tension délivrant non pas une tension sinusoïdale mais une tension sous forme d'un train d'impulsions, c'est-àdire une tension qui périodiquement chute à une tension sensiblement nulle pendant un laps de temps. Ce dispositif comporte en outre un amplificateur de tension reliée à la source de tension et un transformateur dont l'enroulement primaire est relié à 5 I'amplificateur et l'enroulement secondaire est connecté aux électrodes pour leur alimentation. Néanmoins, la période du train d'impulsions, I'amplitude de la tension et le temps durant lequel la tension est nulle sont des paramètres qui sont fonction de la géométrie des électrodes, ainsi que du type et de l'épaisseur des diélectriques 10 séparant le gaz des électrodes. De ce fait, il est nécessaire de réaliser un dispositif d'alimentation distinct en fonction de la configuration de chaque type de lampe, les caractéristiques portant sur la tension et le temps d'alimentation étant adaptées à chaque dispositif. Il conviendrait donc avec une telle alimentation de fabriquer une multitude 15 de sortes de dispositifs d'alimentation, chaque sorte convenant pour un type de lampe plane particulier avec des caractéristiques différentes selon les dimensions de la lampe, le gaz et son volume, sa puissance nécessaire d'alimentation. Or, il n'est pas envisageable pour une fabrication en série de diverses lampes, de concevoir un dispositif particulier pour chaque type de lampe, les 20 coûts de fabrication seraient trop élevés engendrant des prix de revient pour les lampes trop onéreux vis-à-vis du consommateur. De plus, la puissance électrique nécessaire avec le dispositif de ce brevet américain serait, à partir de dimensions de lampes proches ou supérieures au m2, bien trop importante à fournir, nécessitant un dispositif bien trop encombrant. En effet, une tension de forme en créneaux présente une dérivée dV/dt supérieure à la dérivée d'une tension sinusoïdale. Pour obtenir le courant i=C.dV/dt, on multiplie cette dérivée par la capacité des diélectriques de la lampe qui est fonction de la surface et de l'épaisseur desdits diélectriques, cette capacité n'étant pas négligeable pour des grandes dimensions de lampe. Aussi, I'intensité i 30 atteint vite des valeurs très importantes avec une telle tension de type à créneaux, conduisant à une puissance instantanée très importante, ce qui n'irait donc pas dans le sens d'une économie d'énergie. L'invention a donc pour but de fournir un dispositif d'alimentation électrique pour électrodes qui ne présente pas les inconvénients cités cidessus, qui permet de réduire la consommation d'énergie, et présente l'avantage de s'adapter automatiquement au type de structure à alimenter. Selon l'invention, le dispositif d'alimentation est caractérisé en ce qu'il comporte un interrupteur disposé sur le chemin du générateur à l'enroulement 5 primaire du transformateur, un système de pilotage relié à l'interrupteur de façon à commander son ouverture et sa fermeture selon une période T telle que T=1/(2fR) pour laquelle fR correspond à la fréquence de résonance du système -structure 2 et enroulement secondaire du transformateur. Ainsi, I'alimentation de n'importe quelle structure, c'est-à-dire quelles que 10 soient ses dimensions (capacités des diélectriques), est assurée grâce à ce dispositif qui adapte automatiquement la période du signal de tension. Selon une caractéristique, le dispositif d'alimentation comporte des moyens de mesure du courant fournissant au système de pilotage une image du courant traversant la structure, la fermeture de l'interrupteur selon la période T étant 15 déclenchée lors du passage par zéro du courant. Selon une autre caractéristique, la durée de fermeture dt de l'interrupteur est réglable en fonction de l'amplitude d'énergie à fournir à la structure 2. Pendant cette durée dt, la structure est alimentée en tension par une source d'énergie, le générateur, qui lui est extérieur. Par ailleurs, I'enroulement 20 secondaire du transformateur emmagasine de l'énergie et les capacités des diélectriques se chargent. Aussi, à l'ouverture de l'interrupteur, ce qui bloque l'arrivée de tension depuis la source d'énergie externe qu'est le générateur, la structure continue d'être quand même alimentée en tension par une source d'énergie qu'on peut qualifier d'interne et qui correspond à un circuit d'alimentation 25 fermé constitué par les capacités des diélectriques qui déchargent leur énergie et l'enroulement secondaire du transformateur qui restitue son énergie. Au passage par zéro du courant, I'énergie fournie par le système - capacités des diélectriques et transformateur- est épuisée, et de l'énergie nouvelle doit être apportée par la source externe qu'est le générateur. De cette manière, I'énergie extraite du générateur et donc du réseau électrique est réduite par rapport à celle nécessaire à partir des dispositifs d'alimentation de l'art antérieur, conduisant donc à une économie d'énergie. Selon l'invention, un tel dispositif d'alimentation peut avantageusement être utilisé pour l'alimentation d'au moins deux électrodes d'une structure formant lampe plane. L'invention va à présent être décrite plus en détail en regard des dessins annexés sur lesquels: * La figure 1 montre un schéma du dispositif d'alimentation de l'invention associé à une structure à alimenter du type lampe plane; * La figure 2 illustre en fonction du temps, la tension aux bornes de la structure de type lampe plane, le courant dans la lampe et l'énergie 10 lumineuse fournit par la lampe. La figure 1 illustre un dispositif d'alimentation électrique 1 selon l'invention apte à alimenter en énergie électrique au moins deux électrodes 20, 21 d'une structure 2. La structure 2 comporte les électrodes 20, 21, deux éléments diélectriques 15 22, 23 écartés et mis en regard et sur chacun desquels est disposée une des électrodes, et au moins un gaz 24 contenu dans l'espace séparant les deux éléments diélectriques, les électrodes étant associées dans cet exemple de structure aux faces externes 22a, 23a des éléments diélectriques à l'opposé des faces 22b, 23b en regard du gaz. Les éléments diélectriques présentent une 20 capacité qui est fonction de la surface des électrodes qui leur sont associées. Cette structure peut constituer par exemple une lampe plane. Dans ce cas, la structure en tant que telle est hermétique. Elle comporte en tant qu'éléments diélectriques 22, 23 deux substrats en verre qui sont maintenus écartés l'un par rapport à l'autre selon un espace 25 inférieur à quelques millimètres au moyen d'espaceurs et scellés l'un à l'autre par un cadre en fritte de verre. Les faces externes des feuilles de verre sont recouvertes par les électrodes 20, 21, et la face interne d'au moins un substrat en verre est revêtue d'un matériau luminophore. Le gaz 24 remplissant l'espace entre les deux substrats en verre règne à pression réduite, en général de l'ordre de 30 quelques dixièmes d'atmosphère, et est constitué par du xénon ou éventuellement en mélange avec du néon. Enfin, les électrodes 20, 21 sont formées de manière connue par des couches conductrices. Pour de plus amples détails sur cette configuration de lampe plane, on se référera à la demande de brevet français FR 02/10020. Les électrodes 20 et 21 de la structure 2 sont reliées par des connecteurs et respectivement 31, tels que des clinquants souples, au dispositif d'alimentation électrique 1. Le dispositif d'alimentation électrique 1 comporte un générateur de tension 5 10, un transformateur 40 connecté entre le générateur de tension 10 et les deux électrodes 20,21, un interrupteur 50 de type électronique connecté entre le générateur de tension 10 et le transformateur 40, I'interrupteur 50 étant destiné à être ouvert ou fermé pour alimenter ou non le transformateur, un système de pilotage 60 de l'interrupteur 50 apte à commander son ouverture et sa fermeture, 10 et des moyens de mesure 70 du courant sur le chemin de la structure 2 entre le transformateur et ladite structure. Le générateur de tension 10 est connecté en amont au secteur qui délivre une tension de 220 Volts monophasée avec une fréquence de 50 Hz. Ce générateur comporte de manière connue d'amont en aval, un bloc 11 de filtrage 15 CEM (Compatibilité Electromagnétique) qui sert à filtrer la tension du secteur en isolant les bruits, et un bloc redresseur 12 qui permet de délivrer un tension continue d'amplitude sensiblement stable, des moyens de protection des composants électroniques étant inclus dans ce générateur. Le transformateur 40 comporte un enroulement primaire 41 qui est 20 connecté au bloc redresseur 12 du générateur de tension, et un enroulement secondaire 42 dont les bornes 43, 44 sont connectées aux électrodes 20, 21 via les connecteurs 30 et respectivement 31. L'interrupteur 50 connecté entre le générateur 10 et le transformateur 40 sert à alimenter séquentiellement le transformateur au moyen du système de 25 pilotage 60. Ce système de pilotage 60 génère une période de commutation T de l'interrupteur 50 telle que T=1/(2fR), avec fR la fréquence de résonance du système -structure 2 et enroulement secondaire 42 du transformateur 40. La fréquence de résonance fR est définie par l'inductance de sortie du transformateur 40 et la capacité de la structure 2, la capacité de la structure étant 30 déterminée principalement par les capacités des diélectriques 22 et 23 que sont les substrats verriers. La fermeture de l'interrupteur à chaque période T=1/(2fR) permet d'alimenter en tension la structure 2 depuis une source d'alimentation externe (le générateur 10) aux périodes exactes où elle en a besoin pour son fonctionnement, par exemple pour une lampe plane, à chaque fois que la lampe est prête à s'éteindre. Ainsi, la structure n'a pas besoin d'être alimentée en continu à partir de cette source externe, permettant d'économiser de l'énergie. Du fait que cette période est fonction de la fréquence du système, le 5 moment de fermeture est optimisé, la conduction n'a pas besoin de se faire de manière anticipée alors que la structure n'a pas encore besoin d'un apport extérieur de tension. La fréquence de résonance fR est liée aux caractéristiques de la structure 2: nature des diélectriques, distance entre les diélectriques, épaisseur des 10 diélectriques, surface et nature des électrodes. La fréquence varie donc en fonction des systèmes, par exemple de 10 kHz à quelques MHz. L'interrupteur 50 reste fermé pendant une durée dt, c'est-à-dire qu'il est passant pendant cette durée au cours de laquelle une émission lumineuse de la lampe est produite, c'est-à-dire pendant le temps d'éclairage de la lampe. Plus 15 cette durée dt est longue, plus l'énergie lumineuse de la lampe est importante. Avantageusement, il est possible de régler manuellement cette durée dt pour contrôler justement la luminosité de la lampe. Les moyens de mesure du courant 70 placés entre l'enroulement secondaire du transformateur et la structure 2 restituent au système de pilotage 20 60, I'image du courant traversant la structure 2. Le passage par zéro du courant entraîne automatiquement la fermeture de l'interrupteur 50. Le dispositif de l'invention va à présent être décrit en regard de la figure 2 et en référence à titre d'exemple pour l'alimentation d'une structure 2, à l'alimentation d'une lampe plane en vue de son allumage. La figure 2 illustre en fonction du temps, la tension V(t) aux bornes de l'enroulement secondaire du transformateur, c'est-à-dire la tension aux bornes de la lampe, le courant i(t) dans la lampe et l'énergie lumineuse L(t) fournit par la lampe. Au temps t, I'interrupteur 50 est mis en position fermée de sorte qu'il 30 conduit pour alimenter en tension l'enroulement primaire du transformateur à partir du générateur 10. La tension fournie à l'enroulement primaire du transformateur est transformée dans l'enroulement secondaire qui alimente alors la lampe, c'est-à- dire les deux électrodes 20 et 21, selon une tension V(t). L'amplitude de V(t) doit être égale ou supérieure à la tension nécessaire pour l'ionisation du gaz. La conduction effectuée pendant la durée dt permet par ailleurs de stocker de l'énergie dans l'enroulement secondaire du transformateur, énergie qui est 5 proportionnelle au temps de conduction dt de l'interrupteur, et de charger en énergie les capacités des deux diélectriques 22, 23. Toujours pendant cette durée dt, le gaz étant ionisé, d'une part, un courant impulsionnel i(t) traverse la lampe, et d'autre part, I'allumage de la lampe se produit ce qui se traduit par le pic P1 de l'énergie lumineuse L(t). A l'instant t2, c'est-à-dire au bout du temps dt=t2-t1, durée attribuée par le constructeur ou l'utilisateur, le système de pilotage 60 ouvre l'interrupteur 50. L'enroulement primaire du transformateur n'est alors plus alimenté, et l'énergie emmagasinée dans l'enroulement secondaire du transformateur et l'énergie chargée dans les capacités des diélectriques est alors restituée à la lampe selon 15 une tension d'alimentation sinusoïdale V(t) oscillant à la fréquence de résonance fR du système - lampe 2 et enroulement secondaire 42 du transformateur, un courant i(t) pouvant continuer à circuler au travers de la lampe. Au voisinage du passage par zéro de la tension d'alimentation V(t) (instant t3), la tension aux bornes des éléments diélectriques, qui est égale à l'amplitude 20 de V(t), s'applique inversement sur le gaz, ionisant à nouveau le gaz pour engendrer un nouvel éclairage de la lampe (pic P2 de l'énergie lumineuse L(t)). La tension V(t) continue d'évoluer jusqu'au temps t1+T, avec T=1/(2fR) qui correspond à la détection du passage du courant i(t) par zéro, pour lequel le gaz n'étant plus suffisamment ionisé la lampe n'éclaire plus. De manière à assurer un nouvel éclairage de la lampe, il convient de fermer à nouveau l'interrupteur 50 à cet instant t1+T de détection du passage par zéro du courant. Le système de pilotage 60 ferme donc à nouveau l'interrupteur 50 ce qui assure durant la nouvelle durée dt une nouvelle alimentation du transformateur et donc de la lampe, engendrant une nouvelle ionisation et un 30 nouvel éclairage (nouveau pic P1), avec une nouvelle charge des diélectriques. Ces opérations de fermeture et d'ouverture de l'interrupteur 50 sont réitérées durant le temps désiré d'alimentation des électrodes de la lampe, c'està-dire durant le temps désiré d'allumage de la lampe. Ainsi par la mesure du courant, le système de pilotage 60 permet de commander exactement le moment auquel il convient de reprendre l'alimentation des électrodes de la structure. Aussi, il est possible de brancher n'importe quelle structure 2 avec des caractéristiques propres d'impédance, et le dispositif 5 d'alimentation 1 de l'invention après ouverture de l'interrupteur 50 déclenchera automatiquement sa nouvelle fermeture dès le passage par zéro du courant, instant correspondant à un période de commutation T égale à 1/(2fR), fR la fréquence de résonance du système -structure 2 et enroulement secondaire 42 du transformateur 40. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation électrique (1) destiné à fournir en énergie une structure (2) qui comporte au moins deux électrodes (20, 21) associées respectivement à deux diélectriques (22, 23) mis en regard et écartés de façon 5 à créer un espace dans lequel règne un gaz (24), le dispositif comportant un générateur de tension (10), un transformateur (40) pourvu d'un enroulement primaire (41) et d'un enroulement secondaire (42), l'enroulement primaire étant connecté au générateur (10) et l'enroulement secondaire étant relié aux deux électrodes (20, 21) pour les alimenter en tension, caractérisé en ce que le 10 dispositif comporte un interrupteur (50) disposé sur le chemin du générateur (10) à l'enroulement primaire (41) du transformateur, un système de pilotage (60) relié à l'interrupteur (50) de façon à commander son ouverture et sa fermeture selon une période T telle que T=1/(2fR) pour laquelle fR correspond à la fréquence de résonance du système qui est constitué de la structure (2) et 15 de l'enroulement secondaire (42) du transformateur (40). 2. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure du courant (70) fournissant au système de pilotage (60) une image du courant traversant la structure, la fermeture de l'interrupteur selon la période T étant déclenchée lors du passage par zéro du 20 courant. 3. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la durée de fermeture (dt) de l'interrupteur (50) est réglable en fonction de l'amplitude d'énergie à fournir à la structure 2. 4. Utilisation du dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 25 3 pour l'alimentation d'au moins deux électrodes d'une structure formant lampe plane.