Brevet FR2940741A1 — publié le 20100702

BALLAST PULSE POUR LAMPE A DECHARGE Domaine technique de l'invention L'invention concerne un ballast pulsé qui peut être utilisé comme alimentation impulsionnelle à haute tension de lampes à décharge à barrière diélectrique. io État de la technique Les lampes planes ultraviolet à décharge à barrière diélectrique comprennent généralement deux éléments verriers plans et maintenus sensiblement parallèles entre eux, délimitant ainsi un espace interne rempli d'un gaz 15 susceptible d'émettre un rayonnement ultraviolet lorsqu'il est excité par une haute tension alternative ou impulsionnelle appliquée à au moins une paire d'électrodes. Dans une première configuration, chaque électrode est disposée sur une face d'un élément verrier distinct (configuration dite � plan-plan �). Dans une deuxième configuration, les électrodes sont disposées sur une même 20 face d'un élément verrier (configuration dite � coplanaire �). Dans une troisième configuration, une paire d'électrodes est disposée en configuration coplanaire sur une face d'un élément verrier, et une ou plusieurs autres électrodes sont disposées sur une face de l'autre élément verrier. Dans toutes ces configurations, la surface sur laquelle est déposée l'électrode peut être la face 25 interne ou la face externe de l'élément verrier. On peut aussi disposer l'électrode dans l'élément verrier (par exemple du verre armé). Ce rayonnement ultraviolet peut exciter un matériau luminophore approprié disposé sur une face d'au moins un des deux éléments verriers, ce qui permet d'obtenir un rayonnement lumineux présentant une distribution spectrale souhaitée, par 30 exemple un rayonnement lumineux dans le spectre visible, utilisable pour l'éclairage de pièces d'habitation, de bureaux ou de magasins. De telles systèmes d'éclairage sont connus ; ils sont décrits par exemple dans les demandes de brevet WO 2008/023124, WO 2004/015739 (première configuration), WO 2007/042689 (deuxième configuration) et WO 2007/023237 (troisième configuration). Dans une telle lampe, la décharge est excitée par une tension alternative ou impulsionnelle fournie par une alimentation pourvue d'un ballast, qui doit, d'une part, être capable de fournir la haute tension nécessaire à l'allumage de la décharge, et d'autre part, limiter le courant en régime stationnaire. On sait que l'utilisation d'un courant d'alimentation alternatif de forme sinusoïdale appliqué io aux électrodes d'une lampe à décharge ne conduit pas à un bon rendement lumineux. L'article "Half-Bridge and Full-Bridge Choke Converter Concepts for the Pulsed Operation of Large Dielectric Barrier Discharge Lamps" par K. Kyrberg et al., paru dans la revue IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 22, n° 3 (May 2007), pages 926 û 933) et la demande de brevet américaine US 15 2007/0018590 Al (Patent-Treuhand-Gesellschaft für elektrische Glühlampen GmbH) décrivent des ballasts pour lampes planes ultraviolettes à décharge coplanaire ; ces ballasts, qui sont des perfectionnements des ballasts dits � Classe E �, fournissent une haute tension de formes non-sinusoïdales voire impulsionnelles. 20 Les ballasts décrits dans la demande US 2007/0018590 précitée sont des convertisseurs de type demi-pont. Dans sa version la plus simple, ce convertisseur comporte deux branches munies chacune d'un commutateur et d'une diode montés en série, lesdites branches étant reliées au circuit de la 25 lampe à décharge, ledit circuit comprenant un inducteur et la lampe à décharge proprement dit, sachant que l'une desdites branches est en liaison parallèle avec ledit circuit de la lampe. Les bornes du circuit série comportant les deux branches de commutateur sont reliées à une source de tension. 30 Ce ballast est capable de fournir une tension impulsionnelle adapté à l'alimentation d'une lampe plane à décharge coplanaire. II est de conception simple, mais il nécessite une source de courant à haute tension. La présente invention a pour but de présenter un ballast pulsé pour lampe à décharge de conception différente qui ne nécessite pas d'alimentation en courant à haute tension. Objets de l'invention Selon l'invention, ce problème est résolu par un circuit électrique qui associe une source de courant, deux branches de commutation et une branche io d'induction, ces trois branches étant reliées à une branche de lampe. Plus précisément, un premier objet de l'invention est un circuit électrique impulsionnel pour alimenter une lampe à décharge, comportant une source de courant continu et des première et deuxième branches dites de commutation 15 reliées à une branche dite de lampe, et disposées de la manière suivante : (a) la branche de lampe comprend - des premières et deuxièmes bornes pouvant être reliées à une lampe à décharge ; - une première paire d'auto-inductances composée d'une première et deuxième 20 auto-inductance mises en série, la deuxième auto-inductance étant reliée à la première borne de ladite branche de lampe ; - une deuxième paire d'auto-inductance composée d'une troisième et quatrième auto-inductance ; la troisième auto-inductance étant reliée à la deuxième borne de ladite branche de lampe ; 25 (b) les première et seconde branches de commutation comportent chacune un interrupteur en parallèle avec une diode, ladite première branche de commutation étant reliée à un point de la branche de lampe qui se situe entre la première et deuxième auto-inductance, ladite deuxième branche de commutation étant reliée à un point de la branche de lampe qui se situe entre la 30 troisième et la quatrième auto-inductance ; (c) la source de courant est connectée au point commun desdites première et troisième auto-inductances de ladite branche de lampe.5 L'avantage du circuit selon l'invention est que la source de courant peut utiliser une alimentation de tension relativement faible ; il peut donc s'agir d'un composant assez bon marché. A titre d'exemple, on peut utiliser une alimentation limitée à 120 V ou même à 100 V. On peut même utiliser pour former la une source de courant un redresseur branché directement sur le secteur (220 V par exemple). Les deuxième et quatrième auto-inductances permettent quant à elles de bénéficier du rapport de transformation pour obtenir une tension aux bornes de io la lampe plus élevée. Dans ce circuit, les interrupteurs de ladite première et deuxième branche de commutation peuvent être chacun constitué par une pluralité d'interrupteurs mis en série et synchronisés entre eux, et / ou les diodes peuvent être chacune is constituées d'une pluralité de diodes mises en série. Dans ce circuit, la première et la troisième auto-inductance peuvent comporter une bobine avec un noyau plan magnétique. Un deuxième objet de l'invention est un système d'éclairage comprenant un 20 circuit comme décrit ci-dessus et une lampe à décharge (UV ou visible, notamment plane) dont les deux bornes sont reliées aux bornes de la branche de lampe. Dans ce système d'éclairage, chaque première et deuxième paire d'auto-inductances et la lampe forment un circuit résonnant de fréquence égale à 25 1/(2Tr'JLC), où C est la capacité de la lampe et L l'inductance des première et deuxième paire d'auto-inductances, ladite capacité C étant avantageusement comprise entre 0,5 nF et 5 nF. Dans un mode de réalisation avantageux, la lampe est plane et possède une 30 configuration d'électrode de type plan-plan, et sa capacité C est comprise entre 1,5 nF et 3,5 nF. Un troisième objet de l'invention est l'utilisation d'un circuit comme décrit ci-dessus pour alimenter une lampe à décharge ou un système de rétro-éclairage d'un écran d'affichage. Un quatrième objet de l'invention est un procédé d'utilisation d'un système d'éclairage comme décrit ci-dessus dans lequel on actionne de manière alternée les interrupteurs de manière à ce que l'un soit fermé lorsque l'autre est ouvert. Les interrupteurs peuvent être commandés par un circuit programmable, qui contrôle la largeur de l'impulsion de tension générée aux bornes de la io lampe, sa fréquence, et éventuellement la modulation de cette fréquence. Figures Les figures 1 à 6 se réfèrent à l'invention. 1s La figure 1 montre un mode de réalisation d'un circuit selon l'invention. Les figures 2 à 4 concernent un essai effectué à un courant insuffisant pour allumer la lampe. La figure 2 montre l'impulsion de commande des interrupteurs dans un mode de réalisation de l'invention. Cette tension de commande Uc correspond à la 20 tension grille appliquée aux MOSFETs. Les échelles sont : unité de temps 10 ps, unité de tension : 10 V. La figure 3 montre le courant lm circulant dans les interrupteurs, et la tension Uxi développée. Les échelles sont : unité de temps 5 ps, unité de courant 5 A (en bas), unité de tension 500 V (en haut). 25 La figure 4 montre la tension Uxi appliquée à l'interrupteur et le courant IEL de la lampe. Les échelles sont : unité de temps 500 ns, unité de courant 1 A (en bas), unité de tension 500 V (en haut). Les figures 5 et 6 concernent un essai effectué à un courant suffisant pour allumer la lampe. 30 La figure 5 montre la tension U'xi et le courant l'xi au niveau des interrupteurs. Les échelles sont : unité de temps 5 ps, unité de courant 5 A (en bas), unité de tension 500 V (en haut). La figure 6 montre la tension U'x1 au niveau de l'interrupteur et le courant l'EL qui traverse la lampe, pour une seule impulsion. Les échelles sont : unité de temps 500 ns, unité de courant 5 A (en bas), unité de tension 500 V (en haut). Exemple L'exemple qui suit illustre en figure 1 un mode de réalisation de l'invention, mais ne la limite pas. io Dans cet exemple selon l'invention, le circuit comporte une source de courant continu et deux branches de commutation, chacune de ces branches étant reliées à une branche de lampe. La branche de lampe comprend des première et deuxième bornes pouvant être 15 reliées à une lampe à décharge (EL), ainsi que des première et deuxième paires d'auto-inductances (l'auto-inductance étant appelée communément une � self �). La première paire d'auto-inductances est composée d'une première (L1) et deuxième (L2) auto-inductance mises en série, la deuxième auto-inductance (L2) étant reliée à la première borne de ladite branche de lampe. La 20 deuxième paire d'auto-inductance est composée d'une troisième (L3) et quatrième (L4) auto-inductance mises en série. La quatrième auto-inductance (L4) est reliée à la deuxième borne de ladite branche de lampe. Chacune des première (L1) et troisième (L3) auto-inductances est en série avec la source de courant (I1) qui se trouve à l'extérieur de la branche de lampe, et qui est 25 connectée au point commun de la première (L1) et troisième (L3) auto-inductance. La première et seconde branche de commutation comportent chacune un interrupteur (Xl, X2) en parallèle avec une diode (Dl, D2). Le terme � diode � 30 comprend ici tout dispositif électronique unidirectionnel non-linéaire, qui ne laisse passer du courant que dans un seul sens. Les interrupteurs (Xl, X2) et les diodes (Dl, D2) sont en série avec la branche de lampe, et notamment avec la seconde (L2) et la quatrième (L4) auto-inductances (L2, L4), et avec la lampe (EL) si une lampe (EL) est reliée auxdites première et deuxième bornes. La première branche de commutation est reliée à un point de la branche de s lampe qui se situe entre la première (L1) et la deuxième (L2) auto-inductance. La deuxième branche de commutation est reliée à un point de la branche de lampe qui se situe entre la troisième (L3) et la quatrième (L4) auto-inductance. Le principe de fonctionnement du circuit selon l'invention est le suivant : Grâce Io aux premières (L1+L2) et secondes (L3+L4) paires d'auto-inductances, le circuit est capable de générer une tension aux bornes de la lampe qui est supérieure à celle de la tension des interrupteurs (X1, X2). L'énergie impulsionnelle générée par l'actionnement des interrupteurs X1 et X2 est stockée alternativement dans la première (L1) et troisième (L3) auto-inductance lorsque l'un des interrupteurs 15 X2 ou X1 conduit. Cette énergie impulsionnelle est déchargée alternativement dans la lampe (EL) par le première (L1,L2) ou la deuxième (L3,L4) paire d'auto-inductances quand l'interrupteur X1 ou X2 est bloqué. Ensuite, on referme l'interrupteur X1 ou X2, et la première (L1) ou troisième (L3) auto-inductance se rechargent de nouveau. 20 Dans cet exemple, les première (L1) et troisième (L3) auto-inductances sont du même type et de la même inductance. De même, les deuxième (L2) et quatrième (L4) auto-inductances sont du même type et de la même inductance. 25 Dans le circuit selon l'invention, il est important qu'au moins un des deux interrupteurs (X1, X2) soit fermé (i.e. laisse passer un courant), sinon il peut se créer une surtension La lampe (EL) se comporte comme un condensateur. Les deux paires d'auto- 30 inductances (L1+L2, L3+L4) forment avec la lampe (EL) un circuit résonnant dont la fréquence est égale à 1/(2TPJLC) où C est la capacité de la lampe et L l'inductance de la paire d'auto-inductances (L1+L2, L3+L4). Par conséquent, l'inductance de la paire d'auto-inductances (L1+L2, L3+L4) doit être adaptée à la capacité de la lampe (EL). Dans cet exemple, la première (L1) et troisième (L3) auto-inductance est une bobine avec un noyau plan magnétique. Dans cet exemple, le circuit est dimensionné pour que le temps de montée du front soit inférieur à 1 ps. La capacité de la lampe (EL) étant fixée, c'est l'inductance de l'auto-inductance qui est déterminante, et qui doit être choisie de manière appropriée. Dans cet d'exemple, pour une lampe (EL) avec une capacité de 1 nF, on peut choisir pour L1+L2 une valeur de 20 pH, ce qui io conduit à un temps de montée d'environ 500 ns. Pour arriver au même temps de montée avec une lampe d'une capacité de 3 nF, on choisit une capacité de 3 pH. En variante (non illustrée), les interrupteurs (X1, X2) sont chacun constitué 1s d'une pluralité d'interrupteurs mis en série et synchronisés entre eux, et / ou les diodes (Dl, D2) sont chacune constituées d'une pluralité e diodes mises en série. Dans une autre variante (non illustrée), les interrupteurs (Xl, X2) sont commandés par un circuit programmable, notamment pour contrôler la largeur 20 de l'impulsion générée, sa fréquence, et l'éventuelle modulation de cette fréquence. Le circuit peut être utilisé dans un ballast pour alimenter une lampe à décharge, notamment une lampe plane à décharge (EL) Pour cela, on branche la lampe 25 plane (EL) aux première et deuxième bornes de la branche de lampe, on active la source de courant (I1) et on actionne de manière alternée les interrupteurs (X1, X2) de manière à ce que l'un soit fermé lorsque l'autre est ouvert, et en veillant à éviter des pics de tension qui peuvent se former quand aucun des deux interrupteurs (Xl, X2) n'est fermé. Les interrupteurs (Xl, X2) sont 30 commandés de manière à ce que la commutation dans les branches de commutation soit effectuée à courant sensiblement nul. Le ballast selon l'invention peut aussi être utilisé pour alimenter un dispositif de rétro-éclairage (tel qu'une lampe à décharge à cathode froide) dans un écran d'affichage à cristaux liquides. Dans l'exemple, on a réalisé un circuit selon l'invention avec une source de courant (150 V, 10 A) et deux paires de quatre interrupteurs couplés de type MOSFET en série. La tension instantanée (dV/dt) aux bornes de la lampe était d'environ 1500 V en 500 ns. A une fréquence de 40 kHz, la puissance d'alimentation à 60 V était de 134 W pour un flux lumineux de 205 lux (surface ~o de la lampe plane : environ 0,09 m2). A une fréquence de 25 kHz, la puissance d'alimentation à 42 V était de 134 W pour un flux lumineux de 150 lux. Les figures 2 à 6 montrent les résultats de mesures effectuées sur ce circuit. 15 Les figures 2 à 4 concernent un essai avec une tension d'alimentation de 52 V et un courant d'alimentation de 1,4 A ; la lampe était éteinte. La figure 2 montre les impulsions de commande des interrupteurs (Ucx1, Ucx2), qui sont de l'ordre de 18 V. La fréquence de répétition était de l'ordre de 40 kHz, la largeur de l'impulsion de tension de l'ordre de 1,77 ps. La figure 3 20 montre le courant lxi circulant dans les interrupteurs (largeur de l'impulsion de courant de l'ordre de 11,8 ps), et la tension Uxi développée (fréquence de l'ordre de 40 kHz). La figure 4 montre la tension à l'interrupteur Uxi et le courant de lampe IEL. 25 Les figures 5 et 6 concernent un essai avec une tension d'alimentation de 59,2 V et un courant d'alimentation de 2,2 A ; la lampe était allumé, et le flux lumineux était de 205 Lux. La figure 5 montre le courant l'xi circulant dans chaque interrupteur et la tension U'x1 au niveau de chaque interrupteur. Les impulsion de commande 30 étaient de l'ordre de 30 V. La fréquence de répétition était de l'ordre de 40 kHz. La figure 6 montre le courant l'EL circulant dans la lampe et la tension U'xi développée dans les interrupteurs. REVENDICATIONS1. Circuit électrique impulsionnel pour alimenter une lampe à décharge, caractérisé en ce qu'il comporte une source de courant continu (11) et des première et deuxième branches dites de commutation reliées à une branche dite de lampe, et disposées de la manière suivante : (a) la branche de lampe comprend - des première et deuxième bornes pouvant être reliées à une lampe à décharge (EL); io - une première paire d'auto-inductances composée d'une première (L1) et deuxième auto-inductance (L2) mises en série, la deuxième auto-inductance (L2) étant reliée à la première borne de ladite branche de lampe ; - une deuxième paire d'auto-inductance composée d'une troisième (L3) et 15 quatrième auto-inductance (L4) ; la troisième auto-inductance (L3) étant reliée à la deuxième borne de ladite branche de lampe ; (b) les première et seconde branches de commutation comportent chacune un interrupteur (X1, X2) en parallèle avec une diode (D1, D2), ladite première branche de commutation étant reliée à un point de la 20 branche de lampe qui se situe entre la première (L1) et deuxième (L2) auto-inductance, ladite deuxième branche de commutation étant reliée à un point de la branche de lampe qui se situe entre la troisième (L3) et la quatrième (L4) auto-inductance ; (c) la source de courant (11) est connectée au point commun desdites 25 première (L1) et troisième (L3) auto-inductances de ladite branche de lampe. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les interrupteurs (X1, X2) de ladite première et deuxième branche de commutation sont 30 chacun constitué par une pluralité d'interrupteurs mis en série et synchronisés entre eux, et / ou caractérisé en ce que les diodes (D1, D2) sont chacune constituées d'une pluralité de diodes mises en série.30 11 3. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la première (L1) et la troisième (L3) auto-inductance comportent une bobine avec un noyau plan magnétique. 4. Système d'éclairage comprenant un circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et une lampe à décharge (EL) dont les deux bornes sont reliées aux bornes de la branche de lampe. 10 5. Système d'éclairage selon la revendication 4, dans lequel chaque première (L2, L1) et deuxième (L4, L3) paire d'auto-inductances et la lampe (EL) forment un circuit résonnant de fréquence égale à 1/(2TrILC), où C est la capacité de la lampe (EL) et L l'inductance des première et deuxième paire d'auto-inductances (L1 +L2 ; L3+L4), la capacité C étant 15 comprise entre 0,5 nF et 5 nF. 6. Système d'éclairage selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite lampe (EL) est plane et possède une configuration d'électrode de type plan-plan, et en ce que la capacité C est comprise entre 1,5 nF et 20 3,5 nF. 7. Utilisation d'un circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 pour alimenter une lampe à décharge (EL) ou un système de rétro-éclairage d'un écran d'affichage. 8. Procédé d'utilisation d'un système d'éclairage selon l'une quelconque des revendications 4 à 6 dans lequel on actionne de manière alternée les interrupteurs (X1, X2) de manière à ce que l'un soit fermé lorsque l'autre est ouvert. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les interrupteurs (X1, X2) sont commandés par un circuit programmable, qui contrôle la5largeur de l'impulsion de tension générée aux bornes de la lampe (EL), sa fréquence, et éventuellement la modulation de cette fréquence.