<Desc/Clms Page number 1>
- CONDENSATEUR INDUCTIF -
L'invention se rapporte aux bobines de réactance et aux transformateurs dans lesquels on cherche à obtenir une inductance et une capacité réparties élevées.
Dans certains éléments de circuits comportant inductance et capacité tels que : bouchons anti-résonnants, filtres, etc..., ou encore quand on veut améliorer le facteur de puissance d'une inductance au moyen d'une capacité, on a recours à des combinaisons de bobines et de condensateurs. L'invention permet de réaliser, dans certains cas, l'inductance et la capacité au moyen d'un seul élément, d'où il résulte une économie de poids, d'encombrement et de prix,
Il est connu d'utiliser la capacité répartie d'une bobine avec ou sans l'adjonction d'une capacité supplémentaire pour constituer un circuit ré- @
<Desc/Clms Page number 2>
-sonnant ou anti-résonnant;
on y a recours aussi bien dans la gamme des fré- quences radio électriques que dans le domaine des fréquences acoustiques,
On a, d'autre part, déjà utilisé l'inductance propre des condensateurs pour limiter le courant de court-circuit à la valeur de sécurité, notamment dans les équipements de soudure électrique.
La présente invention concerne un mode de réalisation nouveau d'un con- densateur inductif dont l'inductance et la capacité réparties sont susceptibles de prendre des valeurs importantes, la première pouvant être ajustée à la valeur désirée. Cet appareil peut recevoir de nombreuses applications, non seulement dans le domaine des fréquences élevées, mais dans celui des fréquences des réseaux de distribution d'énergie électrique ; c'est ainsi qu'il en sera décrit une appli- cation particulièrement intéressante à la réalisation des équipements d'alimen- tation des lampes à fluorescence, généralement désignés sous le nom de ballast.
Le condensateur inductif conforme à l'invention est caractérisé par au moins un enroulement constitué par de la bande métallique mince ayant une capa- cité importante par rapport à une autre électrode qui peut être, dans certains cas, l'enveloppe du condensateur. Plus généralement, ce type de condensateur est cons- titué par plusieurs enroulements isolés entre eux par un diélectrique en feuille ou formé sur la bande métallique elle-même, avec interposition, éventuellement, dans ce dernier cas, d'un électrolyte. Ces enroulements sont montés sur un cira cuit magnétique constitué par un empilage de t8les découpées.
Le condensateur inductif conforme à l'invention peut servir à former un circuit résonnant de fréquence réglable par l'ajustage de l'inductance. Il peut être utilisé pour réaliser des transformateurs ayant des caractéristiques particulières, notamment des aut-o-transformateurs pour l'alimentation des tubes fluorescents. I1 peut également servir à faire des filtres de caractéristiques très diverses.
On comprendra mieux les caractéristiques et avantages de l'invention en se reportant à la description qui suit et aux dessins qui l'accompagnent, lesquels concernent des exemples de réalisation et d'application n'ayant d'ailleurs aucun caractère limitatif quant à l'esprit et à la portée de l'invention.
La figure 1 est une vue perspective d'une réalisation de l'invention,
La figure 2 est un schéma équivalent d'une cellule de filtre constitué par un condensateur inductif.
<Desc/Clms Page number 3>
La figure 3 est le schéma du circuit précédent, dans le cas où la bobine comporte un noyau magnétique.
La figure 4 est un condensateur inductif à électrolyte liquide ou pâteux, dont les figures 5 et 6 représentent les schémas équivalents.
La figure 7 est une vue perspective de l'enroulement d'un condensa- teur inductif conforme à l'invention.
Les électrodes sont représentées déroulées figure 8.
La figure 9 montre comment on établit les connexions pour obtenir une inductance en série avec une capacité, la figure 10 représente le schéma des électrodes déroulées, et la figure 11 en est le schéma électrique équivalent.
La figure 12 est le schéma d'une variante du montage des figures précédentes, la figure 13 étant le schéma du circuit équivalent.
La figure 14 est le schéma d'un condensateur inductif comportant des prises, en vue de faire varier l'inductance.
Les figures 15 à 20 représentent des éléments de filtre réalisés au moyen d'un condensateur inductif; les figures 15 et 16 concernent un filtre passe- bas à une cellule, les figures 17 et 18 un filtre passe-bas à trois étages, les figures 19 et 20 une cellule de filtre passe haut.
Les figures 21 à 27 concernent des applications des condensateurs inductifs aux dispositifs d'alimentation des tubes fluorescents (ballast).
La figure 21 et(le schéma de son circuit équivalent,)figure 22 représentent un dispositif se comportant comme une capacité pour le réseau de dis- tribution. La figure 23 et (le circuit équivalent) figure 24 représentent un auto-transformateur réalisé au moyen d'un condensateur inductif.
La figure 25 est une vue perspective d'un auto-transformateur dont le schéma des électrodes est donné par la figure 26, et le schéma du circuit équi- valent par la figure 27.
Les figures 28, 29, 30 sont relatives à un autre mode de réalisation d'un dispositif d'alimentation pour tubes fluorescents,
Les figures 31 à 35 sont relatives à l'emploi de condensateurs induc- tifs pour réaliser des transformateurs, le primaire et le secondaire étant consti- tués par un enroulement à forte capacité répartie.
<Desc/Clms Page number 4>
En se reportant à la figure 1, on voit un exemple de réalisation de l'invention, s'appliquant à l'équipement des tubes fluorescents (ballast) qui a, comme on le sait, trois buts principaux ; sert à limiter le courant, étant donné qu'un tube fluoreseent fonctionne en régime d'arc; sa caractéristique a une pente négative ; il sert à fournir une surtension à l'allumage, et parfois à adapter le tube à la tension du réseau. Le condensateur inductif conforme à l'invention peut en outre, jouer une autre fonction : e'st de relever le facteur de puissance de la bobine, ce que l'on fait généralement en utilisant un condensateur supplémen- taire.
Le condensateur inductif ballast 1 est constitué par des enroulements de bandes minces 2 comportant deux bandes métalliques 3 & 4 séparées par des bandes d'une matière diélectrique 5 & 6. La bobine est montée sur un noyau magnétique feuilleté 7, ayant une faible réluctance. Ce mode de construction permet d'obte- nir une inductance élevée et une capacité répartie importante.
Les figures 2 & 3 représentent le schéma équivalent, où 9 est la capa- cité, 10 l'inductance et 12a le noyau magnétique.
Il peut être intéressant, dans certaines applications nécessitant une capacité importante, de prévoir un condensateur électrolytique. La figure 4 re- présente un tel condensateur 13, dans lequel une bobine 14, constituée d'une bande métallique, par exemple de l'aluminium, est disposée à l'intérieur d'une enveloppe métallique 15 du même métal que l'enroulement. Celui-ci fournit l'in- ductance désirable représentée par 20 sur les figures 5 & 6 et la capacité entre 14 & 15 est le condensateur 19 de ce schéma.
La bobine 2 de la figure 1 a été représentée à une échelle un peu plus grande (figure 7), et les électrodes déroulées sans interposition de diélectrique sont représentées par la figure 8. S1 et 82 représentent le début des enroule- ments, F1 et F2 la fin des enroulements,
Les figures 9 & 10 montrent comment l'en connecte les entrées et les sorties de la bobine, en vue d'obtenir un circuit résonnant dont le schéma équi- valent est représenté par la figure 11, La source de tension alternative est réunie à la borne d'entrée S2 de l'un des enroulements par le conducteur 26 et la borne de sortie SI de l'autre enroulement, par la connexion 28. L'inductance équivalente a été représentée par la bobine 33 de la figure 11 et le condensa- teur en 34.
Un tel dispositfi à des applications nombreuses; c'est ainsi que il peut être utilisé en série aec un des tubes fluorescents d'un montage
<Desc/Clms Page number 5>
à deux tubes, en vue de créer le déphasage désirable. Un tel circuit résonnant peut également servir à éliminer une fréquence indésirable. Comme le montrent les flèches 30 et 31 de la figure 10, le sens des courants dans les deux bandes est tel que les flux embrassés soient additifs. Il est, de plus, facile de voir que la différence de potentiel entre les deux bandes est sensiblement constante entres leurs bornes d'entrée et de sortie, L'enroulement 24 peut dolc être mis sous la forme du schéma équivalent de la figure 11, c'est-à-dire une bobine d'incutale 33 et un condensateur 34.
On peut faire varier la valeur de l'inductance 33, indépendamment de la capacité, en déplaçant les prises sur les bandes métalliques, comme le repré- sente la figure 12. Le schéma équivalent, figure 13, est le même que le précé- dent, sauf que l'inductance 41 a été réduite, la capacité 34 demeurant évidemment la même.
La figure 14 représente un condensateur inductif sur une des électrodes duquel sont disposées des prises 42, 43, 44, qui permettent de faire varier l'in- dutalce sans faire varier la capacité.
Comme on l'a dit plus haut, les figures 15 à 20 représentent une série de filtres passe-'haut et passe-bas réalisés avec des condensateurs inductifs conformes à l'invention. Sur la figure 15, la source 46 est connectée aux bornes F1 et F2 du condensateur inductif, au moyen des connexions 47 et 48. La figure lé représente le schéma équivalent, où l'inductance est figurée par la bobine 52, et la capacité répartie est figurée localisée sous forme du condensateur 51. Le circuit d'utilisation est en 49. Une suite de cellules passe-bas est représentée en 53, figure 17. Les extrémités des bandes F, S1 des condensateurs inductifs 55, 57, 58 sont réunies en série, alors que les extrémités S2 sont associées en parallèle et réunies par la connexion 56 à l'une des bornes de la source et du circuit d'utilisation 59.
La figure 18 représente le schéma équivalent comportant les inductances 61, 62, 63 en série, et les capacités 64, 65, 66 en dérivation.
La figure 19 montre le schéma de branchement des électrodes d'un con- densateur inductif, en vue de réaliser une série de filtres passe-haut. La source 72 est ici réunie d'une part à l'extrémité F1 de la bande 69 par la con- nexion 70, alors que l'autre borne de la source est réunie à l'extrémité S2' par la connexion 71, le circuit d'utilisation 68 étant réuni aux extrémités F2,S2
<Desc/Clms Page number 6>
de l'un des enroulements. Le schéma équivalent 73 de ce système 67 est représenté par la figure 20, comportant un condensateur série 74 et une inductance en dérivé- tion 75.
Comme on l'a dit plus haut, une des utilisations très intéressantes de l'invention concerne la fabrication des condensateurs inductifs à noyau magnétique pour limiter le courant des tubes fluorescents, fournir la tension d'amorçage et corriger le facteur de puissance. La figure 21 représente le schéma d'un ballast à transformateur pour tube fluorescent. La source d'alimentation 76 est réunie aux extrémités F1 et F2 des enroulements du ballast qui alimente le tube fluorescent 78, lequel est branché aux extrémités S1 et F2 des enroulements. Le circuit équivalent 80 est représenté par la figure 22; il comporte un condensateur 81 en dérivation aux bornes de la source, et une inductance 82 en série avec le tube fluorescent 78, asso- cié à son dispositif de démarrage, souvent appelé starter, qui est généralement un dispositif à bilame.
Moyennant un choix convenable des valeurs de l'inductance et de la capacité, on obtient l'effet de régulation désiré, et la tension de pointe à l'allumage.
Il peut être nécessaire, dans certains cas, de prévoir un rapport de transmission entre la tension du réseau et celle sous laquelle fonctionne le tube.
Ceci peut être réalisé au moyen de deux condensateurs inductifs 83 et 84, comme le représente la figure 23, montés de façon à former un auto-transformateur. La sour- ce 85 est réunie aux extrémités F1 et F2 des enroulements de l'un des condensateurs inductifs 83, ainsi qu'aux extrémités S1 et S2 de l'autre condensateur 84. L'extré- mité HF2 de l'enroulement du condensateur 83 est réunie à l'extrémité S1 des deux condensateurs. Une des cathodes du tube fluorescent 86 est réunie à l'extrémité F2 du condensateur 84 et aux extrémités S1 des deux condensateurs 83 et 84. Ce montage a, comme circuit équivalent, le schéma 87 représenté par la figure 24, où le condensateur 88 représente la capacité des deux condensateurs.
Les enroulements sont connectés de façon que les condensateurs se comportent comme un auto-transfor- mateur 90 et une inductance série 89.
Pour certaines applications, il peut êTRE nécessaire de réduire la valeur de la capacité par rapport à ce qu'elle serait si le condensateur était constitué par deux bandes métalliques d'égale longueur. Les figures 25 et 26 représentent un mode de construction répondant à cette nécessité. Le condensateur inductif 91 a une bobine 92 constituée de deux bandes métalliques 93 et 94 séparées par
<Desc/Clms Page number 7>
un diélectrique. Le bobinage est monté sur la jambe centrale d'un circuit magné--- tique de type courant à deux fenêtres. Comme on peut le voir sur la figure 26, la bande 93 est notablement plus longue que la bande 94. La capacité est fixée sensibàlement par la longueur de la bande 94. alors que la valeur de l'inductance est donnée par la longueur de la bande 93.
Le condensateur inductif 91 de la fi- gure 25 est représenté monté dans un circuit équivalent à celui des fige 21 et 22; les extrémités F1 et F2 sont représentées connectées à la source 97, et le tube fluorescent 98 et sont dispositif de démarrage 99 sont réunis aux extrémités F1 et S2. Le circuit équivalent 100 est représenté par le schéma de la figure 27, où la capacité est représentée aux bornes de la source 97 et l'inductance 102 en série avec le tube 98.
Si la bande métallique 93 de la figure 26 a la même longueur que celle du ballast 77 de la figure 21, et que la bande 94 soit plus courte que la bande 93, l'inductance 102 de la figure 27 est égale à l'inductance 82 de la figu- re 22, mais la capacité 101 sera plus petite que la capacité 81,
La figure 28 représente un montage de condensateur inductif dont les sché- mas équivalents 104 & 105 sont*représentés respectivement par les figures 29 & 30.
Ce montage a pour but d'obtenir un rapport élévateur de tension dont la valeur est fonction de la fréquence du courant d'alimentation, ainsi que de l'inductance et de la capacité du condensateur inductif. Dans ce quadripôle, la source 107 est réunie d'une part,au moyen de la connexion 106, àl'extrémité F1 de l'un des enrou- lements et l'autre borne, au moyen de la connexion 109,à l'autre extrémité S2 de l'autre enroulement. Les cathodes du tube fluorescent 110 sont réunies, l'une à l'extrémité S1 de l'un des enroulements, et l'autre à l'extrémité F2 de l'autre enroulement.
La figure 29 est le schéma exact du circuit équivalent du condensateur in- ductif de la figure 28. On suppose que les deux inductances 111 et 112 ont un coefficient de couplage égal à l'unité. Le condensateur 113 est réuni entre leurs points de jonction et l'autre home de la source d'alimentation. Il nappait pas de façon évidente qu'on puisse en déduire le schéma du circuit équivalent 105 représenté par la fig.30. Mais le calcul suivant permet de relier ces différents circuits.
On désignera par :
E la tension appliquée,
I le courant dans le circuit d'utilisation, i le courant dans le condensateur, e la force électro-motrice induite dans un des enroulemens,
Q la charge de la capacité,
C la capacité du condensateurs @
<Desc/Clms Page number 8>
R la résistance équivalente du circuit d'utilisation,
L l'inductance d'un enroulement, f la fréquence du courant alternatif fourni par le réseau.
L'application de la loi de Kirchoff au schéma de la figure 29 conduit à Inéquation suivante :
EMI8.1
- L (2 TT- * H") et :
E = 2e + R I (2)
En combinant les équations (1) et (2), on obtient :
EMI8.2
E = 2L i;2 d t + d t + R 1 (3)
D'autre part :
Q=CV (4) et V- E- e (5)
En portant (1 )dans (5), on obtient :
EMI8.3
V E ¯ L I 2 d t + d t Et en portant (6) dans (4), on obtient
EMI8.4
-c iE L 2 d I + d i (7) Par définition : dQ = i et l'on posera :
EMI8.5
l'on posera : d d t = p d d2 tz P2 d t Endérivant (7), il vient :
EMI8.6
i = C pE L 2 p 2 1 + p i y1 ! (9) (3) peut s'inscrire
E=2L 2pI+pi +RI (10)
En régime permanent, ce qui est le cas dans l'exemple envisagé, P = jw et w = 2 Ò f.
Les équations (9) et (10) peuvent alors s'écrire : i - C ! j W E + W2 L(2 I + i) (11)
E = 2 LjW (2 I + i) + RI (L2) En éliminant i ,il vient :
EMI8.7
El+wzLC =4 .1WLI +RI (13) 1 W2' LC 1 - W L C On voit que le rapport d'élévation de tension, qui est donné par
<Desc/Clms Page number 9>
le coefficient de E ,est fonction de la fréquence, de l'inductance et de la capacité. Comme le montre le schéma du circuit équivalent 105 de la figure 30, la transformation de tension est effectuée par le transformateur 116, le facteur de puissance est corrigé par la capacité 117 et l'effet ballast est obtenu par l'inductance 118.
Les figures 31 à 35 représentent des applications du condensateur inductif dans le domaine des transformateurs. On peut améliorer leur facteur de puissance, corriger 1=appel de courant à la mise sous tension, réduire le courant débotté, enfin, apporter une amélioration aux perturbations qui peuvent affecter les ins- tallations téléphoniques ou radio-électriques.
Dans le cas du transformateur représenté par la figure 31, le primaire 119 peut être constitué de façon habituelle par un enroulement de fil ou,encore, par une bande enroulée. Il est monté sur l'une des jambes d'un circuit magnétique à faible réluctane et réuni à une source de tension par les fils 121-122. On peut, si on le désire, mettre le point milieu de llenroulement au sol, comme il - représenté en 123, pour éviter qu'une tension excessive se manifeste entre l'en- roulement et le sol. L'enroulement secondaire, qui est monté sur l'autre jambe du circuit magnétique, est constitué par un condensateur inductif dont les extrémités d'enroulements S1 et F2 sont réunies ensemble, alors que les extrémités F1 et R sont réunies aux circuit d'utilisation par les fils 125 & 126.
La figure 32 re- présente, sous une forme schématique, ce transformateur; la fig.33 est le schéma de son circuit équivalent. L'enroulement secondaire à basse tension est repr senté par la bobine 127 et l'inductance de la bobine du condensateur indctif 124 est figurée par la bobine à noyau magnétique 128. La capacité du condensateur est représentée en 129, connectée aux bornes du circuit d'utilisation. En choi- sissant convenablement les valeurs de la capacité 129 et de ltinductance 128, il est possible d'améliorer le facteur de puissance, de réduire l'appel de courant à la mise sous tension, de réduire le courant magnétisant et les perturbations radioélectriques et téléphoniques. L'enroulement du condensateur peut évidemment être placé du côté primaire.
La figure 34 représente une disposition d'enroulement de transformateur tout-à-fait semblable à celle de la figure 31 ; y voit un condensateur su- plémentaire qui n'est/parcour par le courant du circuit d'utilisation et est disposé dans le circuit secondaire, de façon à accroître la capacité
<Desc/Clms Page number 10>
lorsque cela est nécessité par des conditions d'amélioration du facteur de puis- sance de réduction de l'appel de courant, etc.. Sur la jambe centrale du cir- cuit magnétique 131 sont bobinées plusieurs bobines de condensateur inductif et dans ce cas particulier, le primaire est une bobine 132 en fil en deux sections associées en série, et dont le point milieu est mis à la terre en 133. Le cou- rant alternatif est appliqué eu primaire par les fils 134 & 135.
Le secondaire de ce transformateur peut être constitué par deux transformateurs inductifs 136 & 137,formant deux sections associées en série. Chacune de ces sections est bobinée sur une partie du primaire. Deux condensateurs inductifs additionnels 138 & 139 sont, de même, constitués par deux enroulements reliés en série et réunis de façon à augmenter la capacité secondaire,
La figure 35 représente le schéma des connexions du transformateur de la figure 34. On y voit que l'extrémité F3 de l'enroulement 136 est réunie au début 84 de l'enroulement 137. Les fils 140 et 141 allant aux bornes de sortie sont réunis à S3 de l'enroulement 136 et à F4 de l'enroulement 137 respectivemert reliés. L'entrée F5 de la bobine 138 est réunie à S6 du bobinage 139.
On obtient de cette façon un doublage de la tension et une augmentation de la capacité in- troduite dans le circuit.
-RESUME-
Nouveau mode de construction des condensateurs, permettant de leur donner une inductance propre, élevée, caractérisés en ce qu'ils sont constitués par au moins un enroulement d'une bande métallique dont les spires sont assemblées entre elles, ledit enroulement possédant une capacité élevée par rapport à une autre électrode, et étant monté sur un circuit magnétique, en vue d'accroïtre l'inductance propre.
Mode de réalisation dans lequel le condensateur est constitué par plusieurs bandes métalliques assemblées entre elles par un diélectrique,et enroulées de façon à former une bobine qui est montée sur un circuit magnétique, les entrées et sorties des enroulements étant réunies entre elles de façon que l'inductance soit maxima.
Mode de réalisation dans lequel la capacité du condensateur est augmen- tée en formant le diélectrique à la surface même des électrodes, et en