EP0066481A1

EP0066481A1 - Dispositif d'alimentation électronique pour lampes à décharge

Info

Publication number: EP0066481A1
Application number: EP82400800A
Authority: EP
Inventors: Denys Klein
Original assignee: Compagnie de Signaux et dEntreprises Electriques SA
Current assignee: Compagnie de Signaux et dEntreprises Electriques SA
Priority date: 1981-05-20
Filing date: 1982-04-30
Publication date: 1982-12-08
Also published as: FR2506554B1; US4412154A; FR2506554A1

Abstract

Dispositif d'alimentation électronique pour lampe à décharge, comportant un régulateur à découpage constitué d'un transistor hacheur (T5) attaqué avec un rapport cyclique variable par l'intermédiaire d'un étage pilote, d'une inductance de lissage (S), d'un diode de roue libre (D5) et d'un condensateur de filtrage (C), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour abaisser la fréquence de commutation du transistor (T5) pendant la période d'échauffement de la lampe (L), jusqu'à ce que sa tension d'arc (Uc) ait atteint environ 70 % de sa valeur nominale.

Description

La présente invention concerne un dispositif d'alimentation électronique pour lampe à décharge, comportant un régulateur à découpage constitué d'un transistor hacheur attaqué avec un rapport cyclique variable par l'intermédiaire d'un étage pilote, d'une inductance de lissage, d'une diode de roue libre et d'un condensateur de filtrage.
De tels dispositifs d'alimentation permettent notamment de doser la luminosité des lampes à décharge, et plus spécialement de celles dites "lumière du jour" qui,équipent les projecteurs d'éclairage scénique. Pour pouvoir offrir un bon indice de rendu des couleurs, ces dernières reçoivent en général un remplissage complexe à base d'argon, de mercure, d'halogènes et de terresrares. Les opérations d'allumage, de mise en température, de maintien en régime établi et de réallumage après extinction exigent des précautions particulières de la part du fabricant d'alimentations en raison des phénomènes transitoires que manifestent les corps solides, liquides ou gazeux du remplissage d'une part, et des surtensions ou surintensités fugitives qui affectent les composants électriques ou électroniques d'autre part.
Pendant toute la phase d'allumage à froid, qui dure d'une demi-minute à trois minutes selon le type et la puissance nominale, les tensions nécessaires à la lampe évoluent considérablement. Une alimentation régulée ordinaire ne peut convenir, même si elle est apte à imposer soit un courant, soit une tension, soit une puissance électrique. Le but de l'invention est donc de programmer les phases successives de mise en service de la lampe selon une séquence tenant compte des impératifs de sécurité, de fiabilité et de rapidité de montée en température, sans que soient altérées la longévité de la lampe et la dosabilité de la lumière qu'elle émet.
A cet effet, le dispositif d'alimentation électronique selon l'invention est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour abaisser la fréquence de commutation du transistor hacheur pendant la période d'échauffement de la lampe, jusqu'à ce que sa tension d'arc ait atteint environ 70 % de sa valeur nominale.
Grâce à cette disposition, on peut augmenter la durée Z' de conduction du transistor hacheur au-delà du temps d'établissement du courant dans ledit transistor, tout en majorant la composante continue du courant délivré, ce qui permet d'accélérer la montée en température de la lampe.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, lesdits moyens d'abaissement de la fréquence comprennent une porte analogique sensible à la tension d'arc, agissant sur la constante de temps d'un oscillateur attaquant l'étage pilote par l'intermédiaire d'un modulateur de rapport cyclique..
Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif d'alimentation comprerdun disjoncteur électrique, sensible au courant délivré par le transistor hacheur, pour shunter l'attaque de l'étage pilote lorsque ce courant dépasse une valeur maximale prédéterminée.
Ce disjoncteur sera par exemple constitué par un dispositif à seuil commandant la conduction d'un transistor branché en parallèle sur l'entrée de l'étage pilote.
L'action d'un tel disjoncteur est fugitive et équivaut à un raccourcissement de la durée de conduction
du transistor hacheur, entraînant ainsi l'arrêt de la croissance du courant instantané.
Généralement, une résistance est insérée en amont du régulateur, afin de limiter le courant d'appel lors de la mise sous tension du dispositif d'alimentation. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, cette résistance est connectée en parallèle avec un thyristor ou un triac dont la gachette est alimentée en continu à partir d'un enroulement secondaire bobiné sur l'inductance de lissage, par l'intermédiaire d'un redresseur, d'un condensateur de filtrage et d'un adaptateur résistif.
Ainsi, la résistance de limitation du courant d'appel se trouve automatiquement shuntée dès que le transistor hacheur commence à fonctionner.
Plusieurs formes d'exécution de l'invention sont décrites ci-après à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés dans lesquels :

la figure 1 est un schéma simplifié et partiellement synoptique d'un dispositif d'alimentation pour lampe à décharge, conforme à l'invention ;
la figure 2 est un schéma analogue à celui de la figure 1 d'une variante de réalisation à doubleur de tension ;
la figure 3 est un schéma partiel montrant un exemple de réalisation pratique de certaines dispositions conformes à l'invention ;
la figure 4 est un diagramme montrant l'allure du courant lorsque la lampe est froide ;
la figure 5 est un diagramme montrant l'allure du courant lorsque la lampe est chaude ; et
les figures 6a à 6g représentent différents diagrammes illustrant le fonctionnement du dispositif selon l'invention.

Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend tout d'abord un régulateur à découpage de type classique, constitué essentiellement par un transistor hacheur T₅₉ une inductance de lissage S, une diode de roue libre D5 et un condensateur de filtrage C. Un inverseur de polarité I est placé en aval du régulateur pour éviter la cataphorese des électrodes de la lampe à décharge L qui est connectée en série avec un allumeur A.
En amont du régulateur, on trouve un pont redresseur à quatre diodes D₁, D₂, D₃ et D₄, ainsi qu'un condensateur C₁ dont le rôle est de stocker de l'énergie sous forme électrostatique, pour faire face aux besoins de la lampe quand la tension alternative du réseau passe au voisinage de zéro.
Si l'on appelle
le temps pendant lequel le transistor hacheur T₅ est conducteur et T -
le temps pendant lequel il est isolant, le rapport entre la tension de sortie U_c et la tension d'entrée U est approximativement donné par U_c/U =
/T. Le rapport cyclique
/T de conduction du hacheur est défini par un comparateur Δcapable d'exploiter la différence entre le signal représentant la puissance de consigne P et le signal représentant la puissance réelle délivrée à la sortie. L'expression électrique de cette puissance réelle est obtenue à partir d'un organe analogique M attaqué à la fois par la tension U _cet par le courant i, grâce à un shunt de mesure s inséré sur le trajet du courant de sortie. L'organe analogique M peut être soit un multiplieur effectuant le produit de la tension U _c par le courant i, soit un additionneur pondéré réalisant la somme a U_c +bi. Le fait de modifier la consigne de puissance P se traduit par un signal de modification du rapport cyclique issu du comparateur Δ, de façon à maintenir la puissance réelle très proche de P . Il est donc ainsi possible de doser à volonté le flux lumineux émis par la lampe en régime établi, ou de régler finement la température de couleur de son rayonnement, en changeant simplement de puissance de consigne P_o. Toutefois, et ainsi qu'on le verra plus clairement par la suite, la prise en compte de cette consigne n'est effective qu'une fois la lampe chaude, car l'imposition d'une puissance P importante se traduirait, en régime de tension d'arc faible, par une surintensité que le transistor hacheur T₅, l'inductance de lissage S ou la lampe L pourraient ne pas supporter.
La charge du condensateur C₁ se faisant par intégration du courant demandé au réseau, il est d'usage d'insérer sur le trajet de celui-ci une résistance ou une thermistance R telle que la surintensité reste admissible même si la mise en service intervient lors du passage de la,tension secteur par son maximum. Pour combattre la chute de tension à laquelle donnerait lieu ensuite cette résistance ou cette thermistance en régime établi, on a prévu conformément à l'invention un thyristor Th connecté en parallèle qui procède à son shuntage une fois que le hacheur s'est mis à fonctionner. A cette fin, la gachette de Th est attaquée en continu à partir d'un enroulement secondaire couplé magnétiquement à l'inductance de lissage S, par l'intermédiaire d'un redresseur, d'un condensateur de filtrage et d'un adaptateur résistif. Monté en détecteur de crête, ce dispositif donne une tension redressée d'attaque peu fluctuante, malgré les variations de rapport cyclique du hacheur.
Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 2, le circuit situé en amont du régulateur constitue un doubleur de tension avec deux diodes D₁,D₂ et deux condensateurs C₂ et C₃. La résistance R de limitation du courant d'appel est alors connectée en parallèle avec un triac Tr dont la gachette est attaquée au continu dans les mêmes conditions que précédemment.
Dans la phase qui suit la charge du condensateur C ou des condensateurs C₂ C₃, le régulateur donne.comme consigne de faire engendrer aux bornes du condensateur de filtrage C une tension élevée, typiquement 250 volts, de façon que l'ionisation du plasma déclenchée par le train d'étincelles de l'allumeur A puisse être entretenue ensuite.
La tension d'arc étant faible sur une lampe froide, typiquement 5 à 20 volts, il est intéressant de réguler le courant moyen qui la traverse à une valeur supérieure à l'intensité nominale pour en hâter l'échauffement. On est aidé dans cette démarche par le fait que la composante alternative du courant traversant S a une amplitude I faible quard
est faible. Sans franchir le courant maximal I_M tolérable par le transistor, on peut donc rehausser la composante continue initiale Io . On peut même augmenter
sans inconvénient pourvu que T soit augmenté dans la même proportion pour que le rapport
continue à fixer le rapport
. L'avantage d'une augmentation de préside dans le fait que les temps d'établissement du courant de collecteur ne sont par négligeables (typiquement 0,5 microseconde). A titre d'exemple numérique, si l'on adoptait pour T une période typique de 40 microsecondes, la durée
serait à froid de 1 microseconde environ. Il y a avantage à augmenter ce temps, dans un rapport deux environ, pour que chaque ordre de conduction ou de non-conduction arrive après l'étouffement du régime transitoire précédent. Le danger qu'il peut y avoir à rehausser la composante continue et à augmenter le temps
vient d'une saturation possible du matériau magnétique sur lequel est bobinée l'inductance S, et du dépassement possible de l'intensité que le transistor hacheur T₅ peut délivrer sans tension de déchet excessive, compte tenu de l'attaque de base dont il est l'objet à l'état conducteur.
Conformément à la présente invention, ce danger est conjuré d'une part par un disjoncteur électronique opérant à partir d'un capteur de courant inséré sur le trajet du courant délivré par T₅, d'autre part par un réducteur de fréquence interposé sur l'attaque en tout ou rien du hacheur. Comme la tension délivrée sur le condensateur de filtrage C doit être faible à froid, le rapport cyclique
/T est avantageusement rendu petit par une augmentation de la période T. En d'autres termes, l'onde en dents de scie qui figure le courant dans l'inductance soumise à une tension en créneaux offre une rampe de montée assez longue pour que le courant délivré par le transistor T ait le temps de s'établir.
Dans le dispositif objet de l'invention, la prise d'information en vertu de laquelle est décide l'abaissement de fréquence du hacheur fait appel à la faible valeur de tension d'arc à froid. Le fonctionnement de ce hacheur à la fréquence moitié, par exemple, est maintenu tant que la tension d'arc reste inférieure à 70 % environ de la tension nominale.
En se référant maintenant au schéma de la figure 3, on va décrire un exemple de réalisation pratique du disjoncteur élctronique et du réducteur de fréquence conformes à l'invention. Sur ce schéma, on voit tout d'abord un oscillateur tout ou rien 0 alimentant un modulateur de rapport cyclique MRC qui alimente à son tour un étage pilote P attaquant le transistor hacheur ^T ₅.
La fréquence de l'oscillateur 0 est assujettie à une constante de temps modifiable constituée par un condensateur C₄ et deux résistances R₁, R₂. La résistance R₂ est susceptible d'être shuntée au moyen d'un contact T₁ commandé par une porte analogique PA sensible à la tension d'arc U_c de la lampe. Cette porte analogique est équivalente à un relais dont la tension d'excitation serait égale à 70 % de la tensin d'arc nominale.
La porte analogique PA commande également le fonctionnement d'un second contact T₂ permettant de commuter sur le modulateur MRC, soit le comparateur de courant ₁, soit le comparateur de puissance Δ₂.
Le comparateur A reçoit le courant de consigne initial I_o et l'information relative au courant moyen i de la lampe par l'intermédiaire du shunt de mesure s.
Le comparateur Δ₂ reçoit la puissance de consigne P_o et l'information relative à la puissance réelle par l'intermédiaire de l'organe analogique M.
Le schéma est complété par un dispositif à seuil DS sensible au courant délivré par le transistor hacheur T , grâce à un second shunt r inséré dans le circuit. Ce dispositif à seuil est réglé sur le courant maximal admissible I_M et commande le fonctionnement du transistor T₆ branché en parallèle sur l'entrée de l'étage pilote P.
Lorsque la lampe est froide, sa tension d'arc est faible et ne peut pas déclencher la porte analogique PA qui est attaquée par la tension U , image de la c tension d'arc de la lampe. Par suite, la période de l'oscillateur 0 est proportionnelle à la constante de temps (R₁ + R₂)C₄, soit typiquement 80 microsecondes, puisque le contact T₁ est alors au repos. De même, le contact T₂ est également au repos, de sorte que le modulateur de rapport cyclique MRC opère par comparaison Δ₁ entre le courant réellement délivré à la lampe et le courant de consigne initial I_o, choisi en général égal à 1,2 fois le nominal. Le courant a alors l'allure représentée sur la figure 4 avec une onde centrée sur la composante continue I_o. Dans la phase ascendante, le courant croît avec une pente U-U_c jusqu'à atteindre la valeur crête I_o +
. Tant que cette valeur crête n'excède pas la valeur I_Mde l'intensité maximale que peut délivrer le transistor T₅, le signal issu du modulateur de rapport cyclique MRC est acheminé librement vers l'étage pilote P qui attaque le hacheur T₅. Mais au cas où le courant acheminé par ce dernier excéderait I_M9 une disjonction s'opérerait grâce au dispositif à seuil DS qui shunterait l'attaque de l'étage pilote P grâce à la mise en conduction du transistor T₆. L'effet de cette disjonction serait le même que si
se trouvait écourté, et T- τ allongé d'autant.
Lorsque la lampe est suffisamment chaude, la tension U s'élève au-dessus du seuil de 70 % de sa valeur nominale, et la porte analogique PA enclenche le contact travail T₁ qui shunte R₂, minorant ainsi la période T à la valeur typique de 40 microsecondes. Simultanément, le contact T₂ est enclenché sur sa position de travail et substitue à l'attaque du modulateur de rapport cyclique MRC par le comparateur de courant Δ₁ celle du comparateur de puissance Δ₂. Ce dernier opère par captage du courant moyen de la lampe au moyen du shunt de mesure s, et mesure de la tension U_c voisine de la tension d'arc, le multiplieur ou additionneur pondéré M effectuant le produit de ces deux paramètres. L'allure du courant est alors celle représentée sur la figure 5, avec une onde qui se trouve centrée sur une composante continue très proche de
, P étant la puissance de consigne. La composante alternative
est plus forte que précédemment, en raison de la valeur accrue de
(typiquement 15 microsecondes), mais il y a peu de chance que la crête de courant dépasse I puis-M que la composante continue
est en général plus faible que I_o. Si néanmoins cette valeur de crête devait dépasser I_M, le disjoncteur électronique agirait comme précédemment par shuntage de l'attaque du pilote au moyen du transistor T₆.
Afin de récapituler les différentes fonctions assumées par le dispositif d'alimentation selon l'invention, on se reportera maintenant au diagramme de la figure 6 qui illustre les phases successives de la montée en régime de la lampe à décharge, à partir de l'instant t = 0 où l'alimentation est mise sous tension :

- Jusqu'à l'instant t₁, le condensateur réservoir C₁ ou les condensateurs réservoirs C₁ C2 se chargent a travers la résistance ou la thermistance R prémunissant le pont redresseur _D1 D2 D₃ D₄ ou le doubleur D₁ D₂ contre toute surintensité excessive. L'allure de la tension aux bornes de ces condensateurs est représentée par le diagramme 6a.
- Entre les instants t₁ et t₂, l'étage pilote P attaque la base du transistor hacheur T avec un rapport cyclique croissant, comme représenté sur le diagramme 6b, de façon à charger progressivement le condensateur de filtrage C. Il en résulte aux bornes de l'inductance de lissage S une tension en créneau, et aux bornes de l'enroulement secondaire une tension qui, après redressement et filtrage, attaque la gachette de thyristor Th ou du triac T_r chargé de shunter R, comme illustré par le diagramme 6c qui représente précisément la tension de gachette du thyristor ou du triac.
- Entre les instants t₂ et t₃, le régulateur fonctionne en générateur de tension à rapport cyclique élevé, de façon que s'établisse aux bornes du condensateur C une tension assez haute (typiquement 250 volts). L'allure de la tension délivrée par le régulateur est représentée par le diagramme 6d.
- Entre les instants t₃ et t₄ est branché l'allumeur A qui fait jaillir dans la lampe un train d'étincelles de haute tension et de haute fréquence provoquant l'ionisation du plasma, ce qui apparaît nettement sur le diagramme 6d.
- Entre les instants.t₄ et t₅, le régulateur fonctionne en régime de courant imposé, grâce à l'action du comparateur Δ₁, avec une fréquence de hachage diminuée en tenant compte d'une valeur de consigne avantageusement plus haute que l'intensité nomimale, en vue d'accélérer la montée de la température et de la tension d'arc de la lampe.
- A partir de l'instant t₅, marqué par le passage de la tension d'arc à 70 % environ de la tension nomimale, la fréquence de hachage est rétablie à sa valeur habituelle, par l'intermédiaire de la porte analogique PA agissant sur le contact T₁. Simultanément, l'enclenchement du contact T₂ commute sur le modulateur de rapport cyclique MRC le comparateur 2 à la place du comparateur Δ₁. La grandeur prise en considération par le régulateur est alors la puissance U_ci consommée par la lampe (ou, dans une variante de l'invention, l'expression linéaire analogue a U + b i). Cette grandeur est à tout instant comparée à la puissance de consigne P_o fixe ou variable au gré de l'utilisateur, la différence déterminant la rapport cyclique
/T des créneaux appliqués au hacheur.

Le diagramme 6e illustre le fonctionnement du régulateur entre les instants t₄ et t₅₅ avec une fréquence réduite et une consigne de courant augmentée. Le diagramme 6f illustre le fonctionnement du régulateur à partir de l'instant t₅, avec une fréquence normale et une consigne de puissance nominale ou réduite qui peut en outre être variable au gré de l'utilisateur. Quant au diagramme 6g, il illustre le fonctionnement du régulateur entre les instants t₁et t₄, avec une fréquence normale et une consigne de tension maximale U .
Il convient par ailleurs de noter qu'en cas d'extinction, voulue ou non, de la lampe à décharge, il est possible de la réallumer en reprenant la chronologie initiale. Certaines phases de celle-ci, en particulier la phase t₄ - t₅, peuvent se trouver écourtées d'autant plus que la durée de l'interruption a été plus brève ; la tension d'arc peut en effet présenter une valeur nettement plus élevée qu'à froid, si la chaleur accumulée pendant l'allumage a pu se conserver durant l'extinction.

Claims

1. Dispositif d'alimentation électronique pour lampe à décharge, comportant un régulateur à découpage constitué d'un transistor hacheur (T ) attaqué avec un rapport cyclique variable par l'intermédiaire d'un étage pilote (P), d'une inductance de lissage (S), d'une diode de roue libre (D5) et d'un condensateur de filtrage (C), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour abaisser la fréquence de commutation du transistor hacheur (T₅) pendant la période d'échauffement de la lampe (L), jusqu'à ce que sa tension d'arc (U ) ait atteint environ 70 % de sa valeur nominale.

2. Dispositif d'alimentation électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'abaissement de la fréquence comprennent une porte analogique (PA) sensible à la tension d'arc (U_c), agissant sur la constante de temps d'un oscillateur (0) attaquant l'étage pilote (P) par l'intermédiaire d'un modulateur de rapport cyclique (MRC).

3. Dispositif d'alimentation électronique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un disjoncteur électronique,'sensible au courant délivré par le transistor hacheur (T_S), pour shunter l'attaque de l'étage pilote (P) lorsque ce courant dépasse une valeur maximale prédéterminée (I_M).

4. Dispositif d'alimentation électronique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le disjoncteur est constitué par un dispositif à seuil (DS) commandant la conduction d'un transistor (T₆) branché en parallèle sur l'entrée de l'étage pilote (P).

5. Dispositif d'alimentation électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel une résistance (R) est insérée en amont du régulateur afin de limiter le courant d'appel lors de la mise sous tension, caractérisé en ce que cette résistance (R) est connectée en parallèle avec un thyristor (Th) ou un triac (Tr) dont la gachette est alimentée en continu à partir d'un enroulement secondaire bobiné sur l'inductance de lissage (S), par l'intermédiaire d'un redresseur, d'un condensateur de filtrage et d'un adaptateur résistif.