Brevet FR2882870A1 — publié le 20060908

OSCILLATEUR DE ROYER A ELECTRONIQUE DE DECHARGE Le domaine de l'invention est principalement celui des boîtes à lumière utilisées pour l'éclairage des écrans de visualisation et d'affichage à valve optique, notamment pour les écrans matriciels à cristaux liquides encore appelés LCD, acronyme anglo-saxon signifiant Liquid Crystal Displays . Le domaine d'application est plus particulièrement celui des visualisations embarquées sur aéronefs qui nécessitent, pour être utilisées de jour sous fort ensoleillement et de nuit sous faible luminosité, une grande dynamique de réglage de la quantité de lumière émise. Cette fonction de réglage de la lumière émise est appelée en terminologie anglo-saxonne dimming . Plus généralement, l'invention peut également s'appliquer au domaine grand public des écrans plats de visualisation utilisés soit comme télévisions soit comme moniteurs de micro-ordinateurs et nécessitant une dynamique de luminance élevée. Généralement, les sources de lumière des boîtes à lumière sont des tubes fluorescents. Ces tubes sont le plus souvent des tubes dits à cathode froide qui ne nécessitent pas de préchauffage du filament de la cathode. Ils sont encore appelés CCFL, acronyme anglo-saxon de Cold Cathod Fluorescent Light . Ces sources de lumière présentent de nombreux avantages comme leur grande luminosité, leur bon rendement de conversion, leur faible encombrement ainsi que leur grande fiabilité. Leur mise en oeuvre est cependant assez complexe dans la mesure où elles nécessitent des tensions de commande alternatives élevées, supérieures à 1000 volts. Les fréquences de ces tensions sont typiquement de quelques dizaines de kilohertz. Ces tensions de commande sont le plus souvent fournies à partir d'une alimentation basse tension. Un dispositif d'alimentation spécifique fournit alors, à partir de cette basse tension, la haute tension alternative nécessaire au bon fonctionnement des tubes fluorescents. On appelle, en terminologie anglo-saxonne ces dispositifs 2882870 2 d'alimentation inverters . La figure 1 représente le schéma de principe d'un tel dispositif d'alimentation. II comprend un dispositif 1 de type inverter. Ce dispositif 1 est alimenté par une alimentation continue basse tension 2 de quelques volts. La haute tension alternative est délivrée aux tubes fluorescents 3 à travers des capacités CB dites de ballast, celles-ci limitant le courant dans les lampes. Une commande de dimming 4 permet de régler la luminance émise par les tubes fluorescents. Les tubes pour éclairage de plus gros diamètre se contentaient, par le passé, de systèmes d'alimentation électromécaniques rudimentaires. Actuellement, le coeur du dispositif d'alimentation est un oscillateur électronique dit de Royer. Cette structure présente les avantages d'une grande simplicité de réalisation et d'un faible coût de production. Elle s'est généralisée dans le domaine de l'excitation des lampes fluorescentes dites CCFL petit format qui sont très utilisés aujourd'hui comme sources d'éclairage de dispositifs de visualisation. La structure de Royer comprend principalement comme indiqué sur la figure 2: É un transformateur comprenant: o une première bobine magnétique primaire comprenant deux parties P1 et P2, cette bobine est associée à un condensateur placée en parallèle CA, o une seconde bobine secondaire SHT et o une troisième bobine SR, lesdites bobines étant classiquement enroulées autour d'un circuit magnétique T, l'élévation de tension est substantiellement proportionnelle au rapport du nombre de spires de la bobine primaire sur le nombre de spires de la bobine secondaire; É un circuit accordé mis en parallèle avec la bobine primaire P1, P2. Ce circuit détermine la fréquence d'oscillation; É une self induction dite de tête LT. La bobine SHT du transformateur assure l'élévation de tension et délivre un signal haute tension HT aux lampes fluorescentes via les 35 condensateurs ballast CB qui sont associés à chaque lampe fluorescente. 2882870 3 La bobine SR du transformateur délivre un signal de retour au circuit accordé destiné à entretenir l'oscillation. La self-induction LT permet de polariser en haute impédance le point milieu du transformateur, entre les parties P1 et P2 de la première 5 bobine primaire, pour lui permettre d'évoluer en tension. L'entretien de l'oscillation est réalisée par deux interrupteurs QI et Q2 commandés par un dispositif électronique 10 placé aux bornes de la bobine SR. Ce dispositif est alimenté à travers la résistance Rp par l'alimentation 2. Lesdits interrupteurs tirent chacun leur tour vers la masse le courant fourni par la self-induction LT. QI et Q2 peuvent être des transistors du type MOSFET ou des transistors bipolaires. Leur commande se fait alors par la superposition d'une polarisation commune fixée au seuil de leur conduction et de la tension de retour issue de la bobine SR et appliquée en différentiel entre les deux interrupteurs. La fonction dimming réalise la modulation de la luminance. Celle-ci est réalisée par modulation temporelle. On appelle ce type de commande, commande par PWM, acronyme anglo-saxon signifiant Pulse Width Modulation. On commande la durée de l'état actif sur une période fixe de temps de modulation. Les fréquences correspondant à cette période fixe sont généralement comprises entre 100 et 300 hertz de façon à être au-delà des fréquences maximales perceptibles par l'oeil humain. Ainsi, La persistance rétinienne intègre les variations rapides de la luminance pulsée et l'oeil ne perçoit qu'une luminance moyenne proportionnelle au rapport de la durée de l'état actif sur la période de modulation. Avec ce type de dispositif, les dynamiques de luminance possibles sont couramment de 1 à 50, rarement au delà de 1 à 100. Cependant, pour certaines applications, cette dynamique est insuffisante. Ainsi, pour les visualisations disposées dans les cockpits d'aéronef, le besoin en dynamique de luminance est de 1 à 1000 au minimum. La commande de la durée de l'état inactif peut être réalisée sur la structure de Royer de deux manières différentes: 2882870 4 É Blocage des deux interrupteurs d'entretien Q1 et Q2 comme indiqué sur la figure 3 où cette fonction est réalisée par l'interrupteur QsTOP commandé par la commande de dimming . Ce blocage est obtenu par la mise à la masse de la polarisation des commandes des interrupteurs Q1 et Q2. Ce procédé présente l'inconvénient d'introduire des ruptures de rythme dans l'oscillation, quand agit la protection contre la surtension inhérente à l'écoulement de l'énergie stockée dans la self-induction LT. Ces ruptures créent alors des aléas de réponse lumineuse des lampes à faible rapport cyclique ou à faible taux de PWM du dimming. On observe alors des battements de l'énergie lumineuse émise appelés en terminologie anglosaxonne flicker . É Mise en place d'un interrupteur supplémentaire QsTOP en série avec l'alimentation comme indiqué sur la figure 4. Il laisse l'oscillateur fonctionner naturellement après arrêt. Dans ce cas, la protection de surtension de la self-induction LT n'interfère pas avec la prolongation d'activité de l'oscillateur. La conséquence de cette conservation de rythme ouvre la possibilité de réduire la luminance de façon plus importante. Cette solution est employée principalement dans les systèmes demandant les plus grandes dynamiques de dimming, sans pour autant atteindre facilement le niveau du besoin. Dans la structure de Royer décrite précédemment, au passage à l'état arrêté, la commande de dimming interrompt la consommation. L'énergie stockée dans la self-induction LT, dans les bobines du transformateur et dans le condensateur CA doit être dissipée. L'oscillateur s'arrêtant progressivement, une partie de cette énergie est dissipée dans les lampes. Après chaque créneau d'activité de l'oscillateur, il y a donc une queue d'oscillation de la tension appliquée aux lampes, d'amplitude exponentielle décroissante. Les lampes continuent alors d'émettre de la lumière pendant cette queue d'oscillation. La figure 5 illustre ce phénomène. Cette figure représente, en fonction du temps, les variations: É de la commande de dimming PWM, É de la haute tension de sortie de l'oscillateur de Royer THT, 35 É du courant CCCFL traversant les tubes fluorescents CCFL et 2882870 5 É de la quantité de lumière moyenne émise L par lesdits tubes. La commande de l'état actif commence au temps ToN et se termine au temps TOFF. Comme on le voit, après le temps TOFF, les tubes 5 continuent d'émettre pendant un certain temps. On démontre que, moins l'oscillateur est chargé, c'est-à-dire que moins les lampes sont nombreuses en sortie de l'oscillateur, plus cette durée est importante et est, par conséquent, gênante si l'on souhaite atteindre les bas niveaux de lumière. Compte-tenu de ce phénomène, Il est possible de tracer la courbe de variation de la quantité de lumière L en fonction de la durée de l'état actif du PWM. On obtient la courbe de la figure 6. Cette courbe montre qu'il est impossible d'atteindre les faibles luminances par ce principe. En effet, en dessous d'une certaine durée d'excitation TM,N, aucune lumière n'est émise. Et dès que l'on franchit ce seuil, la lumière émise LMIN est tout de suite relativement importante. L'objet de l'invention permet de pallier en grande partie ce défaut. Le but de l'invention est de contrôler plus largement la modulation de luminance issue de lampes dites CCFL et de permettre le réglage de luminance à un niveau minimum bien plus faible que ne le permettent les structures de base habituelles. Cette invention peut s'appliquer, bien entendu, à tout dispositif comportant un oscillateur de Royer nécessitant un arrêt rapide des oscillations et n'est pas limitée au domaines des lampes fluorescentes. Plus précisément, l'invention a pour objet un oscillateur électronique dit de Royer permettant la génération, à partir d'une basse tension continue, de hautes tensions alternatives modulées temporellement par découpage comprenant: É un premier circuit comportant un transformateur de tension à bobines primaires et secondaires et É un second circuit électronique de réaction permettant de maintenir la fréquence de la haute tension alternative modulée; 2882870 6 caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif électronique de contrôle de la décharge de l'énergie électrique stockée dans le premier circuit, ledit dispositif de contrôle de la décharge étant commandé par un dispositif électronique de commande par modulation par découpage. Avantageusement, le circuit électronique de réaction comporte deux interrupteurs de régulation disposés en série de part et d'autre des bobines primaires du transformateur et le dispositif électronique de contrôle de la décharge comprend des moyens permettant de mettre en conduction simultanée lesdits interrupteurs. De plus, lesdits interrupteurs de régulation sont reliés à un point commun, lui même relié à la source d'alimentation basse tension à travers une diode dite de roue libre, ledit point commun pouvant être mis à la masse par un troisième interrupteur commandé par le dispositif électronique de commande par modulation par découpage. Avantageusement, le dispositif électronique de commande de la décharge est commandé par la tension dudit point commun. Avantageusement, le transformateur possède un circuit additif comportant au moins une bobine secondaire disposée en série entre deux interrupteurs reliés à la masse, le dispositif de décharge commandant l'ouverture ou la fermeture desdits interrupteurs. Le circuit additif peut comporter en outre au moins deux résistances placées en série entre ladite bobine et lesdits interrupteurs. Le circuit additif peut comporter également un circuit supplémentaire comprenant en série une capacité et deux interrupteurs reliés à la masse. L'invention concerne également un dispositif d'alimentation électrique pour tubes fluorescents, caractérisé en ce qu'il comporte un oscillateur électronique selon l'une des caractéristiques définies précédemment. Elle concerne aussi un dispositif de visualisation à écran plat comportant au moins une source d'éclairage alimentée par le dispositif d'alimentation précédent. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: É La figure 1 représente le schéma d'un dispositif d'alimentation haute 35 tension à commande par dimming ; 2882870 7 É La figure 2 représente le schéma électrique d'un oscillateur de Royer; É La figure 3 représente un premier mode de commande par dimming d'un oscillateur de Royer; É La figure 4 représente un second mode de commande par 5 dimming d'un oscillateur de Royer; É La figure 5 représente les variations en fonction du temps des paramètres principaux dans un oscillateur de Royer; É La figure 6 représente les variations en fonction de la commande de dimming de la luminance émise; É La figure 7 représente le schéma électrique d'un oscillateur de Royer selon l'invention; É La figure 8 représente une variante de l'oscillateur de Royer selon l'invention; É Les figures 9, 10 et 11 représentent 3 modes différents de réalisation 15 de cette variante; É La figure 12 représente les variations en fonction du temps des paramètres principaux dans un oscillateur de Royer selon l'invention; É La figure 13 représente les variations en fonction de la commande de dimming de la luminance émise dans un oscillateur de Royer 20 selon l'invention. La symbolique utilisée sur les différents schémas électriques correspond à celle usuellement utilisée pour ce type de schémas. En particulier, les noeuds de jonction sont représentés par des ronds noirs. Dans une structure d'oscillateur de Royer avec dimming par commutation d'alimentation, pour arrêter quasi immédiatement l'oscillation, et donc le courant traversant les lampes CCFL en charge, l'invention consiste: à étouffer l'oscillation à chaque train de stimulation des lampes. Cela revient à décharger l'énergie stockée dans le circuit résonnant automatiquement à l'aide d'une électronique simple et de fonctionnement synchrone. La décharge de l'énergie de la self de tête LT et du circuit résonnant parallèle comprenant le transformateur et le condensateur d'accord CA est réalisée par la mise en court circuit du transformateur. II existe différents dispositifs électroniques permettant de réaliser cette fonction. Un premier mode de réalisation est représenté en figure 7. Le dispositif électronique de contrôle de la décharge 11 de l'énergie électrique stockée dans le premier circuit est commandé par le dispositif électronique de commande par modulation par découpage 4 par l'intermédiaire de l'interrupteur QsTOPÉ Dans ce mode de réalisation, la mise en conduction simultanée des 2 interrupteurs d'entretien de l'oscillation QI et Q2 réalise la fonction. Cette mise en conduction est réalisée en agissant sur le dispositif électronique 10 par la commande 12 issue du dispositif électronique de contrôle 11. Le dosage de l'effet est à ajuster pour éviter les retours fugitifs en oscillation dus à l'énergie résiduelle de la self induction LT, les composants électroniques n'étant pas idéaux. Même très courtes, ces oscillations asynchrones peuvent induire du flicker des lampes fluorescentes, préjudiciable à la stabilité lumineuse. L'avantage de ce mode de réalisation est que l'on conserve le transformateur d'origine, on ajoute uniquement des composants électroniques simples. Un second mode de réalisation est représenté en figure 8. Dans ce second mode de réalisation, le circuit comporte un circuit additif 13 comprenant un enroulement additif SE dans le transformateur, qui est alors mis en court circuit par les interrupteurs électroniques QE1 et QE2 comme montré sur la figure 9. Ces interrupteurs peuvent être soit des transistors de type MOS ou bipolaires. Il est intéressant de les disposer par paire pour palier aux éventuels défauts de mono polarité inhérent à leur structure respective. Ces interrupteurs peuvent être facilement commandés, car le bobinage supplémentaire étant flottant, il est possible de le référencer à la masse électrique. Contrairement au premier mode de réalisation, cela nécessite donc le rajout de l'enroulement supplémentaire SE au transformateur d'origine et de l'ensemble des interrupteurs QE1 et QE2. Complètement indépendant de la fonction oscillateur, l'effet du système est dosable indifféremment, et on peut aussi envisager un effet partiel avec des résistances de dissipation en série RE1 et RE2 avec les interrupteurs QE1 et QE2 comme indiqué sur la figure 10. Dans certains cas, l'enroulement de transistor existe déjà, pour 35 permettre le rajout d'un condensateur d'accord CBOOST. C'est ce qui est 2882870 9 illustré en figure 11. La mise en parallèle de ce condensateur CBOOST est assuré au moyen de deux interrupteurs QB1 et QB2 commandés par une commande externe 14. Ce condensateur agit comme s'il était en parallèle sur CA et permet de changer la fréquence d'oscillation du circuit et par conséquent, le courant traversant les lampes. On obtient ainsi deux gammes de luminance commutables. En terminologie anglo-saxonne, on parle de fonction Boost . Cet arrêt d'oscillateur par mise en court circuit du dipôle résonnant n'est pas dangereux pour le circuit s'il est réalisé quand l'interrupteur de dé- alimentation de l'oscillateur est assurément ouvert, sous peine de créer un court circuit fugitif sur l'alimentation de puissance, ou même un court circuit permanent en cas de panne de la commande de QsTOPÉ Pour assurer cette sécurité, la commande simultanée de QI et Q2 doit être consécutive au blocage de l'interrupteur QsTOP. En aucun cas, elle ne peut s'activer suite à l'action de l'interrupteur QsTOP. Une sophistication supplémentaire consiste à n'agir que transitoirement, et uniquement suite à la remontée du potentiel du noeud LOW situé à la jonction des interrupteurs QI et Q2. Quand l'interrupteur QsTOP se bloque, le potentiel du noeud LOW remonte de 0 volt vers le niveau VCC correspondant à la tension de sortie de l'alimentation électrique 2. Cette remontée déclenche alors le dispositif électronique de contrôle 11 par couplage capacitif. La forte variation de potentiel qui suit le blocage de l'interrupteur QsTOP est alors détectée. Un état permanent consécutif à un défaut n'agirait pas. La figure 12 illustre l'action du dispositif électronique de contrôle 25 de la décharge de l'énergie électrique stockée. Cette figure représente en fonction du temps les variations É de la commande de dimming PWM, É de la haute tension de sortie de l'oscillateur de Royer THT, É du courant CCCFL traversant les tubes fluorescents CCFL et 30 É de la lumière émise L. La commande de l'état actif commence au temps ToN et se termine au temps TOFF. Comme on le voit, après le temps TOFF, les tubes continuent d'émettre pendant un temps plus bref qu 'n l'absence de ce circuit. 2882870 10 II est possible de tracer la courbe de variation de la quantité de lumière en fonction de la durée de l'état actif du PWM. On obtient la courbe de la figure 13. Cette courbe montre qu'il est maintenant possible d'atteindre les faibles luminances par ce principe. La durée d'excitation TMIN en dessous de laquelle aucune lumière n'est émise étant considérablement réduite, par conséquent, la lumière minimale émise LMIN est également fortement réduite correspondant bien à l'effet recherché. 11 REVENDICATIONS 1. Oscillateur électronique (1) dit de Royer permettant la génération, à partir d'une basse tension continue, de hautes tensions alternatives modulées temporellement par découpage comprenant: É un premier circuit comportant un transformateur de tension à bobines (P1, P2, SHT, SR) primaires et secondaires et É un second circuit électronique de réaction permettant de maintenir la fréquence de la haute tension alternative modulée; caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif électronique (11) de contrôle de la décharge de l'énergie électrique stockée dans le premier circuit, ledit dispositif de contrôle de la décharge étant commandé par un dispositif électronique (4) de commande par modulation par découpage. 2. Oscillateur électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le circuit électronique de réaction comporte deux interrupteurs (QI, Q2) de régulation disposés en série de part et d'autre des bobines primaires du transformateur et que le dispositif électronique de contrôle de la décharge comprend des moyens permettant de mettre en conduction simultanée lesdits interrupteurs. 3. Oscillateur électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits interrupteurs de régulation sont reliés à un point commun (LOW), lui même relié à la source d'alimentation basse tension à travers une diode dite de roue libre (DRL), ledit point commun pouvant être mis à la masse par un troisième interrupteur (Qsrop) commandé par le dispositif électronique de commande par modulation par découpage. 4. Oscillateur électronique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif électronique de contrôle de la décharge est commandé par la tension dudit point commun. 2882870 12 5. Oscillateur électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, le transformateur possède un circuit additif (13) comportant au moins une bobine secondaire (SE) disposée en série entre deux interrupteurs (QE1, QE2) reliés à la masse, le dispositif de contrôle de la décharge commandant l'ouverture ou la fermeture desdits interrupteurs. 6. Oscillateur électronique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit additif comporte en outre au moins deux résistances (RE1, 10 RE2) placées en série entre ladite bobine et lesdits interrupteurs. 7. Oscillateur électronique selon les revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le circuit additif comporte un circuit supplémentaire comprenant en série une capacité (CBOOSr) et deux interrupteurs reliés à la masse(QB1, QB2). 8. Dispositif d'alimentation électrique pour tubes fluorescents, caractérisé en ce qu'il comporte un oscillateur électronique selon l'une des revendications précédentes. 9. Dispositif de visualisation à écran plat comportant au moins une source d'éclairage, caractérisé en ce que ladite source comprend au moins un tube fluorescent alimenté par un dispositif d'alimentation selon la revendication 8.