Brevet FR2940743A1 — 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. to 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 is 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 les5 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. Les ballasts décrits dans cette demande sont capables de fournir une tension impulsionnelle 30 adaptée à l'alimentation d'une lampe plane à décharge coplanaire. Ils sont de conception simple, mais nécessitent une source de courant à haute tension. i0 D'une manière générale, un des inconvénients des ballasts pulsés connus est que le courant crête est très élevé. Par ailleurs, il est difficile de générer une impulsion très courte pour alimenter une capacité de forte capacité ; cela est particulièrement gênant si l'on veut alimenter une lampe à décharge avec un tel ballast, car la lampe à décharge possède une forte capacité. La présente invention a pour but de présenter un ballast pulsé pour lampes planes à décharge de conception simple, de préférence qui utilise un nombre de composants électroniques aussi faible que possible. Objets de l'invention Selon l'invention, ce problème est résolu par un circuit électrique impulsionnel qui associe une source de tension à une branche de commutation et une 15 branche de démagnétisation, et un interrupteur magnétique. Un premier objet de l'invention est un circuit électrique impulsionnel pour alimenter une lampe à décharge (UV ou visible, notamment plane) ladite lampe comportant une première et deuxième borne, ledit circuit comportant une 20 source de tension, un interrupteur magnétique relié auxdites première et deuxième bornes de ladite lampe, une branche dite de commutation et une branche dite de démagnétisation reliée auxdites première et deuxième bornes de ladite lampe, et disposés de la manière suivante : (a) la branche de commutation comprend un interrupteur en parallèle avec une 25 première diode, qui est de préférence une diode d'écrêtage, ledit interrupteur et ladite première diode étant en série avec une deuxième diode qui évite l'inversion du courant dans la branche de commutation ; (b) la branche de démagnétisation comprend un dispositif de démagnétisation ; (c) ledit interrupteur magnétique comporte une inductance saturable (ledit 30 interrupteur magnétique étant par exemple constitué par une inductance saturable), ledit interrupteur magnétique étant en parallèle avec le dispositif de démagnétisation ; (d) la lampe est en parallèle avec l'interrupteur magnétique et le dispositif de démagnétisation ; (e) la branche de commutation est reliée à la première borne de la lampe par l'intermédiaire d'une auto-inductance, mise en série avec la lampe ; (f) la source de tension est connectée, d'une part, à la branche de commutation par l'intermédiaire de ladite deuxième diode en série avec ladite source de tension, et d'autre part à ladite deuxième borne de ladite lampe. Le circuit peut comporter en plus : i0 • une diode qui évite le retour du courant de démagnétisation dans la branche de démagnétisation ; • une mise à la terre entre la source de tension et le point de connexion avec la branche de démagnétisation. 15 Ce circuit peut être utilisé pour alimenter une lampe à décharge, typiquement dans un système d'éclairage qui comprend une lampe à décharge dont chaque borne est reliée à la branche de commutation et à la branche de démagnétisation. Pour l'utiliser, on active la source de tension, on ferme l'interrupteur pour générer une impulsion de courant dans l'auto-inductance, et 20 on rouvre ensuite l'interrupteur ; la tension est appliquée à une borne de la lampe et à l'interrupteur magnétique ; l'interrupteur magnétique se ferme, de manière à inverser la tension appliquée aux bornes de la lampe ; un courant inverse est appliqué à travers le dispositif de démagnétisation, ce qui conduit à l'ouverture de l'interrupteur ; puis on recommence le cycle avec la fermeture de 25 l'interrupteur. Ce procédé d'utilisation constitue un deuxième objet de la présente invention. Le ballast selon l'invention présente l'avantage de minimiser le nombre de composants électroniques. Cela diminue aussi le coût de l'assemblage du 3o circuit. Un troisième objet de l'invention est un système d'éclairage comprenant un circuit comme décrit ci-dessus et une lampe à décharge dont la première borne est reliée au point commun de la branche de commutation et de la branche de démagnétisation, et la deuxième borne est reliée au point commun de la branche de démagnétisation et de la source de tension. La lampe, notamment plane, peut posséder une capacité C comprise entre 0,5 nF et 5 nF, et notamment une configuration d'électrode de type plan-plan, et avec une capacité C est comprise entre 1,5 et 3,5 nF io Figure La figure 1 montre un circuit selon l'invention. Description détaillée 15 Le circuit comporte une source de tension (V1) et une branche de commutation reliées aux première et deuxième borne de la lampe (EL), en parallèle avec une branche de démagnétisation et avec un interrupteur magnétique (X1). 20 La branche de commutation comprend un interrupteur statique (X2) en parallèle avec une diode (D2) d'écrêtage, les deux en série avec une diode (D4) qui évite l'inversion du courant dans la branche de commutation et des oscillations de commutation. La branche de commutation est reliée à la lampe (EL) par l'intermédiaire d'une auto-inductance (L1), appelée communément une � self �, 25 mise en série. La branche de démagnétisation comprend un dispositif de démagnétisation disposé en parallèle avec l'interrupteur magnétique (X1) qui comporte une inductance saturable ou qui est constitué par une inductance saturable. 30 L'inductance saturable présente une impédance très faible quand elle est saturée, et une impédance très forte quand elle est non saturée.5 Une diode (D1) évite le retour du courant de démagnétisation (appelé aussi courant de dépolarisation) dans l'auto-inductance (L1) de la branche de commutation. Un condensateur de filtrage (Cl) peut être intégré à la source de tension (V1). Le principe de fonctionnement du circuit selon l'invention est le suivant : initialement, l'interrupteur magnétique (X1) est en position ouverte (i.e. il ne laisse pas passer de courant). De même, l'interrupteur statique (X2) est ouvert. to On active la source de tension (V1), on ferme l'interrupteur statique (X2), ce qui génère une impulsion de courant dans l'auto-inductance (L1), et permet d'appliquer la polarité sur la première borne de la lampe (EL). Cette tension est également appliquée, à travers la diode (Dl), à l'interrupteur magnétique (X1). Ensuite, l'inductance saturable X1 se sature, son impédance devient alors 15 brusquement et automatiquement très faible, agissant ainsi comme un interrupteur qui se ferme, avec un temps de réponse de l'ordre de quelques microsecondes. Cela inverse la tension appliquée aux bornes de la lampe (EL). Ensuite, le dispositif de démagnétisation applique un courant inverse à travers X1 ; cela a pour effet de démagnétiser l'inductance saturable (X1), donc d'ouvrir 20 l'interrupteur magnétique (X1), et le cycle recommence : on referme l'interrupteur statique (X2) etc. Le moment d'ouverture de l'interrupteur statique (X2) n'est pas critique, s'il se situe après l'application de la polarité à ladite première borne de la lampe (EL). 25 En variante non illustré, l'interrupteur statique (X2) est commandé par un circuit programmable, qui contrôle la largeur de l'impulsion générée, sa fréquence, et éventuellement la modulation de cette fréquence. De préférence, le circuit fonctionne comme un circuit résonnant. En effet, la 30 lampe (EL), qui se comporte comme un condensateur, et l'auto-inductance L1 peuvent former un circuit résonnant dont la fréquence est égale à 1/(2rr-VLC) où C est la capacité de la lampe et L l'inductance de l'auto-inductance (L1). Dans 20 ce but, l'inductance de l'auto-inductance (L1) doit être adaptée à la capacité de la lampe (EL), cette dernière étant fixée par la construction de la lampe. Dans le circuit illustré, la lampe (EL) est mise à la terre, avantageusement entre 5 la source de tension et le point de connexion avec la branche de démagnétisation. Le circuit illlustré peut être utilisé dans un ballast impulsionnel pour alimenter une lampe à décharge (EL), notamment une lampe plane à décharge. Pour io cela, on branche la première borne de la lampe (EL) à décharge au point commun de la branche de commutation et de la branche de démagnétisation, et on branche la deuxième borne au point commun de la branche de démagnétisation et de la source de tension. Une telle lampe (EL) possède typiquement une capacité C comprise entre 0,5 nF et 5 nF. Elle possède par 15 exemple une configuration d'électrode de type plan-plan, et sa capacité C est comprise entre 1,5 et 3,5 nF. On peut utiliser pour l'inductance saturable (X1) le matériau magnétique vendu sous la dénomination Vitrovac TM 6025 Z par la société Vacuumschmelze. 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. 25 REVENDICATIONS1. Circuit électrique impulsionnel pour alimenter une lampe à décharge (EL) comportant une première et deuxième borne, caractérisé en ce qu'il comporte une source de tension (V1), un interrupteur magnétique relié auxdites première et deuxième bornes de ladite lampe (EL), une branche dite de commutation et une branche dite de démagnétisation reliée auxdites première et deuxième bornes de ladite lampe (EL), et disposés io de la manière suivante : (a) la branche de commutation comprend un interrupteur (X2) en parallèle avec une première diode (D2) ledit interrupteur (X2) et ladite première diode (D2) étant en série avec une deuxième diode (D4) qui évite l'inversion du courant dans la branche de commutation ; 15 (b) la branche de démagnétisation comprend un dispositif de démagnétisation ; (c) ledit interrupteur magnétique (X1) comporte une inductance saturable, et ledit interrupteur magnétique (X1) étant en parallèle avec le dispositif de démagnétisation ; 20 (d) la lampe (EL) est en parallèle avec l'interrupteur magnétique (X1) et le dispositif de démagnétisation ; (e) la branche de commutation est reliée à la première borne de la lampe (EL) par l'intermédiaire d'une auto-inductance (L1), mise en série avec la lampe ; 25 (f) la source de tension (V1) est connectée, d'une part, à la branche de commutation par l'intermédiaire de ladite deuxième diode (D4) en série avec ladite source de tension (V1), et d'autre part à la deuxième borne de la lampe (EL). 30 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en plus une diode (D1) qui évite le retour du courant de démagnétisation dans la branche de démagnétisation. 3. Circuit selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'inductance de l'auto-inductance (L1) est choisie en fonction de la capacité de la lampe (EL) de manière à former un circuit résonnant, dont la fréquence est égale à 11(2rr'ILC) où C est la capacité de la lampe et L l'inductance de l'auto-inductance (L1). 4. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite première diode (D2) est une diode d'écrêtage. 5. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une mise à la terre entre la source de tension (V1) et le point de connexion avec la branche de démagnétisation. 15 6. Système d'éclairage comprenant un circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 et une lampe à décharge (EL) dont la première borne est reliée au point commun de la branche de commutation et de la branche de démagnétisation, et la deuxième borne est reliée au point commun de la branche de démagnétisation et de la source de tension 20 (V1). 7. Système d'éclairage selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite lampe (EL) possède une capacité C comprise entre 0,5 nF et 5 nF. 25 8. Système d'éclairage selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la ladite lampe (EL) possède une configuration d'électrode de type plan-plan, et sa capacité C est comprise entre 1,5 et 3,5 nF. 9. Utilisation d'un circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 30 pour alimenter une lampe à décharge (EL) ou un système de rétro-éclairage d'un écran d'affichage. i0 10. Procédé d'utilisation d'un système d'éclairage selon l'une quelconque des revendications 6 à 8 dans lequel : (a) on active la source de tension (V1) ; (b) on ferme l'interrupteur (X2) pour générer une impulsion de courant 5 dans l'auto-inductance (L1) ; (c) la tension est appliquée à une borne de la lampe (EL) et à l'interrupteur magnétique (X1) ; (d) on rouvre l'interrupteur (X2) ; (e) l'interrupteur magnétique (X1) se ferme, de manière à inverser la to tension appliquée aux bornes de la lampe (EL) ; (f) un courant inverse est appliqué à travers le dispositif de démagnétisation, ce qui conduit à l'ouverture de l'interrupteur (X1) ; (g) on recommence le cycle à l'étape (b). 15 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'interrupteur (X2) est commandé par un circuit programmable, qui contrôle la largeur de l'impulsion de courant générée, sa fréquence, et éventuellement la modulation de cette fréquence. 20