CH622658A5

CH622658A5 -

Info

Publication number: CH622658A5
Application number: CH1310777A
Authority: CH
Inventors: Rudolf Farkas; Michel Moulin
Original assignee: Hoffmann La Roche
Priority date: 1977-10-27
Filing date: 1977-10-27
Publication date: 1981-04-15
Also published as: IT7829089A0; JPS5499367A; NL174612B; DE2846513B2; GB2013050A; DE2846513C3; CA1096931A; DE2846513A1; NL7810241A; NL174612C; IT1099428B; GB2013050B; FR2407638A1; JPS598956B2; US4194143A; FR2407638B1

Description

La présente invention concerne un circuit d'alimentation d'une lampe à décharge, comportant un premier condensateur relié à la lampe qui peut être chargé par une source d'énergie électrique à travers un premier thyristor et sert à emmagasiner l'énergie nécessaire pour chaque décharge à travers la lampe, le point de connexion du premier thyristor à la source d'énergie étant relié à la connexion à terre de ladite source par le montage en série d'un deuxième thyristor et un deuxième condensateur.

La présente invention concerne plus particulièrement un circuit d'alimentation d'une lampe à décharge utilisé comme source de lumière dans un appareil d'analyse optique tel que par exemple un spectrophotomètre rotatif, c'est-à-dire un spectro-photomètre dans lequel des échantillons placés sur un rotor passent en succession rapide devant la tête de mesure optique du spectrophotomètre.

On connaît des circuits d'alimentation pour lampes à décharge utilisés dans des stroboscopes. Un tel circuit est décrit dans la publication: «Instruction Manual, Strobotac type 1538-A, General Radio Co.» Ce circuit fournit pour chaque décharge une valeur de tension fixe entre l'anode et la cathode de la lampe à décharge et permet la production d'éclairs à une fréquence ajustable allant de 2 Hz à 2500 Hz en 4 gammes. Ce circuit d'alimentation connu présente plusieurs inconvénients, si on envisage son utilisation dans un appareil d'analyse optique:

1. La conception du circuit est telle que, plus la gamme de fréquences est élevée, plus la capacité du condensateur qui fournit l'énergie pour chaque décharge est petite (cette capacité varie de 1,1 piF à 0,07 (xF). Ceci fait que l'énergie disponible par décharge (E = CV2/2) diminue lorsque la fréquence des décharges augmente. En conséquence, la puissance de chargement (P = E/At, où At = 1/Af) reste inférieure à 6 W dans toutes les gammes de fréquence, ce qui est largement insuffisant pour les besoins de spectrophotomètres rotatifs.

2. Comme la tension fournie par le circuit connu à la lampe est fixe pour chaque décharge, il n'est pas possible de modifier l'amplitude lumineuse des éclairs produits, ce qui est souhaitable, par exemple lorsque la lampe à décharge est utilisée comme source de lumière dans un spectrophotomètre, c'est-à-dire lorsqu'il est nécessaire de varier l'amplitude lumineuse des éclairs, pour compenser les différences de rendement lumineux dans les différentes longueurs d'ondes considérées, de préférence sous contrôle d'un système automatique programmé.

3. Quand l'on désire travailler avec le maximum d'énergie disponible pour la décharge, le temps de recharge du condensateur qui fournit l'énergie pour chaque décharge limite la fréquence des éclairs. Ainsi, par exemple, quand l'énergie disponible pour la décharge est maximale (E = 1,1 uF (800 V)2/2), le temps de recharge nécessaire est d'environ 80 msec, ce qui correspond à une fréquence d'éclairs relativement basse, inutilisable dans certaines applications, comme par exemple dans les analyseurs optiques rotatifs.

A la base de l'invention, se trouve le problème de réaliser un circuit d'alimentation pour une lampe à décharge, circuit qui ne présente pas les inconvénients des circuits d'alimentation connus et qui convient particulièrement pour alimenter une lampe à décharge utilisée dans un appareil d'analyse optique, et plus particulièrement dans un spectrophotomètre rotatif rapide.

Le circuit d'alimentation selon l'invention est caractérisé en ce que la source d'énergie est reliée au premier thyristor par l'enroulement primaire d'un autotransformateur, dont l'enroulement secondaire, branché en série avec une diode, relie le point de connexion dudit enroulement primaire à la source avec le point de connexion entre le deuxième thyristor et le deuxième condensateur.

Un autre objet de invention est l'utilisation du circuit d'alimentation selon l'invention dans un appareil d'analyse optique.

Le circuit d'alimentation selon l'invention permet d'éliminer les inconvénients du circuit d'alimentation connu mentionnés ci-dessus et d'atteindre simultanément les caractéristiques de fonctionnement suivantes avec un minimum d'éléments:

1. Une puissance moyenne délivrée dans une série de décharges d'environ 20 fois la puissance moyenne obtenue avec le circuit connu.

2. Des impulsions de courant de décharge de forme et durée sensiblement constantes et d'amplitude contrôlée, variable dans l'intervalle entre deux décharges successives.

3. Un temps de recharge du condensateur qui fournit l'énergie pour chaque décharge inférieure à 1 msec.

4. Des pertes d'énergie extrêmement faibles.

La description ci-après décrit, à titre d'exemple et avec référence aux dessins annexés, une réalisation préférée d'un circuit d'alimentation selon l'invention. Dans ces dessins:

- la figure 1 est un schéma d'un circuit d'alimentation selon l'invention,

- les figures 2 à 6 sont des schémas équivalents servant à expliquer le fonctionnement du circuit de la figure 1,

- les figures 7 à 9 sont des diagrammes des tensions et courants servant aussi à expliquer le fonctionnement du circuit de la figure 1.

Le circuit d'alimentation décrit ci-après est prévu pour alimenter une lampe à décharge servant de source de lumière dans un appareil d'analyse optique d'une solution (comme par exemple l'appareil d'analyse décrit dans le brevet américain No. 3 999 862), en particulier dans un spectrophotomètre rotatif, dans lequel des échantillons sont examinés en succession très rapide. Tel est par exemple le cas lorsque le spectrophotomètre rotatif comporte un rotor portant 30 échantillons (contenus dans des tubes optiques d'environ 5 mm de diamètre), lequel tourne à 1000 tours/minute.

Le circuit de la figure 1 comporte une source d'énergie électrique 11, un autotransformateur 16,17, deux condensateurs, 19,25, une bobine d'inductance 21, une lampe à décharge 23, deux thyristors 18,24, trois diodes 22,26,27, un comparateur 33 et un circuit de commande 28.

La source d'énergie électrique 11 comporte par exemple un pont-redresseur 14, une résistance 13 et un condensateur de filtrage 12. La source 11 reçoit à son entrée 15 une tension alternative, par exemple la tension du réseau, et délivre à sa sortie, c'est-à-dire sur le condensateur 12, une tension continue.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

M

3

622 658

Les valeurs des éléments utilisés dans le circuit de la figure 1 sont comme suit:

Résistance 13 : 22jt

Condensateur 12 : 330 jJ.F

Condensateur 19: 2 (xF

Condensateur 25 : 1 |xF

Bobine d'inductance 21:47 [iH

Inductance de l'enroulement primaire 16:10 mH

Rapport du nombre de spires primaire/secondaire de l'auto-

transformateur 16,17 :1/1,6

Tension du réseau : 220 V, 50 Hz.

Les diodes et thyristors utilisées sont de préférence des types à commutation rapide.

Il est clair que les valeurs indiquées ci-dessus à titre d'exemple peuvent être modifiées pour adpater le circuit aux conditions particulières dans lesquelles il est employé. Ainsi, par exemple l'inductance de la bobine 21 peut être réduite, si l'on désire produire des décharges d'une durée plus courte. Dans certaines applications la bobine 21 peut être même éliminée du circuit.

Le fonctionnement du circuit d'alimentation de la figure 1 est expliqué ci-dessus avec référence aux circuits équivalents des figures 2-6 et aux diagrammes des figures 7-9.

Recharge du condensateur de filtrage 12:

Le condensateur 12 est rechargé une fois chaque 10 msec par le réseau, et fournit l'énergie pour 5 décharges de la lampe 23 pendant ce temps. La résistance 13 limite le courant de charge du condensateur 12, lequel est maximum à l'enclenchement de l'appareil. Le condensateur 12 chargé à la tension V12 = 300 V par le pontredresseur 14 maintient cette tension sensiblement constante pendant toute l'opération du circuit (voir figure 7).

Cycle de décharge du condensateur 19:

L'énergie nécessaire pour chaque décharge à travers de la lampe 23 est enmagasinée préalablement dans le condensateur 19 sous la forme d'une tension V19, ajustable entre 150 et 600 V, par exemple VI9 = 400 V (voir figure 8).

Le circuit de commande 28 reçoit sur son entrée 32 un signal de synchronisation qui permet d'établir le synchronisme nécessaire entre l'allumage de la lampe 23 et le fonctionnement du mécanisme de présentation d'échantillons du spectrophotomètre. Activé par le signal de synchronisation, le circuit de commande 28 fournit sur la ligne 29 une impulsion d'allumage à l'électrode d'allumage de la lampe 23, à l'instant t6 (voir figure 9), et alors le condensateur 19 se décharge à travers le montage en série comportant la bobine 21, la diode 22 et la lampe à décharge 23. La figure 9 montre l'impulsion du courant 43 correspondante.

Grâce à la présence de l'inductance 21, l'impulsion du courant 43 prend la forme d'une demi-sinusoide (approximativement). Cette forme est favorable pour le traitement du signal optique résultant, dans les amplificateurs du spectrophotomètre. Sa durée, choisie entre 10 et 30 |xsec, est approximativement égale à

-tfi = JIÌ/L-

-21

avec L21 = inductance de la bobine 21 et CI9 = capacité du condensateur 19.

L'amplitude de l'impulsion de courant 43 est d'environ 200A dans cet exemple. Dû à l'échelle utilisée, la figure 9 ne montre qu'une partie de cette impulsion.

Pendant la décharge, une grande partie de l'énergie enmagasinée dans le condensateur 19 (60% à 90%) est dissipée dans la lampe 23 et convertie en énergie lumineuse et thermique.

Cependant, à cause du caractère oscillatoire du circuit de décharge (c'est-à-dire du montage en série du condensateur 19, de la bobine 21, de la diode 22 et la lampe 23 lors de la décharge), un reste d'énergie (40% à 10%) se retrouve dans la capacité 19, 5 sous forme d'une tension négative d'environ 200 V (voir V19 sur figure 8), lorsque la valeur de tension à laquelle on charge le condensateur 19 avant chaque décharge est VI9 = 400 V.

Cycle de charge du condensateur 19:

Pour faciliter l'explication de ce cycle, il est utile de se référer aux circuits équivalents des figures 2 à 6 et de considérer les intervalles suivants montrés sur les diagrammes des figures 7 à9.

Intervalle de t0 à t, ( voir figure 2):

15 Comme indiqué ci-dessus, après chaque décharge à travers la lampe 23, la tension V19 du condensateur 19 reste à une valeur négative. Dans l'intervalle de to à t! le condensateur 19 est chargé, à partir de ladite valeur négative de tension, à une valeur positive de tension, ajustable entre 150 et 600 V afin de 20 fournir l'énergie nécessaire pour la décharge suivante. Pour cela le circuit de commande 28 rend le thyristor 18 conducteur en lui fournissant un signal de commande sur la ligne 31 à l'instant t0. La conduction du thyristor 18 établit le circuit équivalent de la figure 2 et un courant de charge 41 oscillatoire du condensateur 2519 s'ammorce depuis la source à travers l'enroulement primaire 16 de l'autotransformateur et le thyristor 18. La période Ta de cette oscillation est déterminée sensiblement par la relation

, T. = 2k\IL

J16

'19

avec L16 = inductance de l'enroulement primaire 16 et C19 = capacité du condensateur 19.

L'énergie présente dans 19 à to est transférée pendant cette 35 oscillation à l'enroulement primaire 16; VI9 monte vers zéro et l'intensité du courant 41 augmente.

En l'absence du thyristor 24 et des diodes 26 et 27, cette oscillation se terminerait quand l'intensité du courant 41 correspondant retomberait à zéro, avec une valeur terminale de 40 tension V19' déterminée par la relation:

V19' = - V190 + 2V12

où VI90 est la valeur de VI9 à l'instant t0 (VI90 = —200 V dans cet exemple, voir figure 9).

Cependant, avant que V19 n'arrive au niveau V19', le comparateur 33 détecte que la tension V19 appliquée à son entrée 34 arrive au niveau désiré (par exemple + 400 V), déterminé par la signal de référence appliqué à son entrée 35. Le comparateur 33 rend alors (à l'instant t]) le thyristor 24 50 conducteur en lui fournissant un signal de commande sur la ligne 36. Comme le condensateur 25 est déchargé (V25 = o à t]), une tension inverse V19 - V25 est appliquée au thyristor 18 et l'éteint. Ainsi, la recharge du condensateur 19 est terminée,

mais le cycle n'est pas complet, car un surplus d'énergie est 55 enmagasiné dans l'enroulement primaire 16 de l'autotransfor-mateur sous la forme du courant 41. Le reste du cycle sert à ramener cette énergie au condensateur 12 de la source d'énergie électrique 11.

60 Intervalle de t, à t2 (voir figure 3):

A l'instant tb le thyristor 24 reprend la conduction du courant 41, lequel alors charge le condensateur 25, dont la tension V25 commence à monter (voir figure 8). La période oscillatoire Tb correspondante est définie par

Th = 2jtVL

622 658

4

avec Ljf, inductance de l'enroulement primaire 16 et C25 = capacité du condensateur 25.

A l'instant t2, V25 atteint la niveau V12, ce qui permet à la diode 27 de commencer à conduire.

Intervalle de t2 à t3 (voir figure 4):

A partir du moment, où la diode 27 commence à conduire, les deux enroulements 16,17 de l'autotransformateur se trouvent en connection antiparallèle. La période de l'oscillation est alors déterminée par C25 et les inductances de fuite des deux bobines, et elle est nettement plus courte que Tb.

Comme montré par le diagramme de la figure 9 dans l'intervalle de t2 à t3, l'intensité du courant 42 monte, tandis que l'intensité du courant 41 descent vers zéro. L'énergie enmagasi-née dans l'enroulement primaire 16 est transférée dans l'enroulement secondaire 17. La tension V25 (figure 8) atteint sa valeur maximale quand l'intensité du courant 41 est égale à l'intensité du courant 42.

Il est nécessaire de choisir un rapport du nombre de spires secondaire/primaire de l'autotransformateur de 1,4 à 1,6 afin d'assurer que la descente de l'intensité du courant 41 soit plus rapide que la montée de l'intensité du courant 42.

A l'instant t3, l'intensité du courant 41 atteint la valeur zéro, et le thyristor 24 s'éteint.

Intervalle de t3 à t4 (voir figure 5):

Dans cet intervalle, le nouveau circuit oscillatoire comportant l'enroulement secondaire 17 et le condensateur 25 oscille avec une période

Td — 2 Jt y L]7 • C25

avec Lj7 = inductance de l'enroulement secondaire 17 C25 = capacité du condensateur 25.

Le courant 42 décharge le condensateur 25, tout en retournant l'énergie enmagasinée dans celui-ci et dans l'autotransformateur 16,17 à la source 11. La tension V25 (figure 8) du condensateur 25 descend vers zéro, et la descente de l'intensité du courant 42 s'ammorce.

A l'instant t4, la tension V25 devient zéro et reste bloquée à ce niveau, grâce à la conduction de la diode 26 lorsque V25 tend à devenir négative.

Intervalle de t4 à t5 (voir figure 6):

Dans cet intervalle l'intensité 142 (t) du courant 42 continue de descendre, selon la relation approximative (en négligeant les pertes ohmiques).

142 (t) = 142 (t4)

17

ou 142 (t4) = intensité du courant 42 à l'instant t4.

A l'instant t5, l'intensité du courant 42 atteint la valeur zéro et le cycle de charge se termine. Dès lors toute conduction s'arrête. Le condensateur 19 est prêt pour la décharge suivante, et le condensateur 25 avec la tension V25 = 0 est prêt pour le nouveau cycle de charge après cette décharge.

La figure 7 montre la variation des tensions V16 et V17 sur les enroulements 16 et 17 respectivement pendant l'intervalle de t„ à t5.

Le circuit d'alimentation selon l'invention offre les avantages suivants:

1. Il fournit l'énergie nécessaire pour produire des «paquets» de 150 éclairs, séparés d'intervalles de repos de 10 sec., (entre paquets). L'énergie maximale par éclair est de 0,25J et l'intervalle entre éclairs 2 msec à l'intérieur d'un «paquet», qui dure 300 msec. Ceci correspond à une puissance de chargement moyenne de 125 Wpendant le «paquet», c'est-à-dire une puissance de chargement moyenne environ 20 fois plus grande que celle fournie par le circuit d'alimentation connu, mentionné dans l'introduction. La puissance de chargement moyenne Pm mentionnée ci-dessus est définie par:

avec n = nombre d'éclairs par paquet ed = énergie par éclair

Tp = durée d'un paquet d'éclairs.

2. Il permet de varier la tension appliquée entre l'anode et la cathode de la lampe à décharge dans un rapport de 1:4 (par exemple 3e 150 à 600 V) afin de varier l'amplitude lumineuse des éclairs dans un rapport voisin de 1:10. Ceci permet d'adapter l'amplitude lumineuse des éclairs aux besoins de la mesure, par exemple au rendement optique à différentes longueurs d'ondes, et d'atteindre ainsi des conditions optimales pour la mesure. La variation de la tension appliquée à la lampe peut s'effectueur dans l'intervalle entre deux éclairs successifs, car cette variation est contrôlée électroniquement au moyen de la tension de référence appliquée au comparateur 33.

3. Tout en fournissant l'énergie nécessaire pour produire des éclairs de l'amplitude lumineuse désirée, le circuit d'alimentation selon l'invention permet aussi de travailler avec une fréquence d'éclairs convenable pour les spectrophotomètres rotatifs. Ceci est possible grâce au court temps de recharge du condensateur qui fournit l'énergie pour chaque décharge. Dans l'exemple décrit ci-dessus, la durée du cycle de recharge du condensateur 19 est inférieure à 1 msec.

4. Les pertes d'énergie sont extrêmement faibles. Dans le circuit d'alimentation selon l'invention on récupère, d'une part l'énergie restante dans le condensateur 19 après chaque décharge, et d'autre part le surplus d'énergie enmagasinée dans l'enroulement primaire 16 à la fin de la charge du condensateur 19.

5. Il permet d'atteindre les avantages 1-4 mentionnés ci-haut avec un minimum d'éléments électroniques.

6. En outre, la réalisation préférée de l'invention décrite ci-dessus comporte une bobine d'inductance 21 en série avec la lampe à décharge. Cette bobine permet de donner à l'impulsion de courant de décharge 43 la forme approximative d'une demi-sinusoide, d'une durée constante déterminée par l'inductance de la bobine 21 et la capacité du condensateur 19. On évite ainsi la production des impulsions lumineuses à flanc droit qui dans un spectrophotomètre présenteraient l'inconvénient de demander un circuit de détection du photomètre ayant une bande passante relativement large, ce qui rendrait mauvais le rapport signal/ bruit de la mesure.

Le circuit d'alimentation selon l'invention peut aussi être utilisé par exemple pour alimenter une lampe à décharge utilisée comme source de lumière dans un spectrophotomètre manuel prévu pour effectuer des analyses cliniques chimiques et des mesures enzymatiques. Il est également possible d'utiliser le circuit d'alimentation selon l'invention dans les domaines de la stroboscopie et de la photographie.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

h(I

C

3 feuilles dessins

Claims

622 658

1. Circuit d'alimentation d'une lampe à décharge, comportant un premier condensateur relié à la lampe qui peut être chargé par une source d'énergie électrique à travers un premier thyristor et sert à emmagasiner l'énergie nécessaire pour chaque décharge à travers la lampe, le point de connexion du premier thyristor à la source d'énergie étant relié à la connexion à terre de ladite source par le montage en série d'un deuxième thyristor et un deuxième condensateur, caractérisé en ce que la source d'énergie (11) est reliée au premier thyristor par l'enroulement primaire (16) d'un autotransformateur, dont l'enroulement secondaire (17), branché en série avec une diode (27), relie le point de connexion dudit enroulement primaire à la source avec le point de connexion entre le deuxième thyristor (24) et le deuxième condensateur (25).

2. Circuit d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une diode (26) est branchée en parallèle avec le deuxième condensateur (25), la deuxième diode ayant le même sens de conduction que la diode (27) qui est branchée en série avec l'enroulement secondaire (17).

2

REVENDICATIONS

3. Utilisation du circuit d'alimentation selon la revendication 1 dans un appareil d'analyse optique.