FR2460586A1 - Alimentation pour lampe a decharge a vapeur - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UNE ALIMENTATION DESTINEE A UNE LAMPE A DECHARGE ELECTRIQUE A VAPEUR. CETTE ALIMENTATION COMPREND UN CIRCUIT BALLAST RESISTIF 100 CONNECTE EN SERIE AVEC UNE LAMPE 35 A DECHARGE ELECTRIQUE AUX BORNES D'UNE SOURCE DE TENSION CONTINUE. LE DISPOSITIF COMPREND UN ELEMENT DESTINE A DIMINUER LA RESISTANCE EFFICACE DU CIRCUIT BALLAST 100 A LA SUITE D'UNE DIMINUTION DE L'AMPLITUDE DU COURANT CIRCULANT DANS LA LAMPE 35 AU-DESSOUS D'UN NIVEAU DE SEUIL VARIABLE, ET UN ELEMENT DESTINE A DIMINUER LA VALEUR DU SEUIL VARIABLE EN REPONSE A UN ACCROISSEMENT DE L'AMPLITUDE DE LA TENSION AUX BORNES DE LA LAMPE 35. DOMAINE D'APPLICATION: ALIMENTATION DES LAMPES A DECHARGE A HAUTE INTENSITE, PAR EXEMPLE LES LAMPES A VAPEUR DE MERCURE, LES LAMPES AUX HALOGENURES METALLIQUES, LES LAMPES A VAPEUR DE SODIUM, ETC.

Description

1.

L'invention concerne un ballast à semi-

conducteur à courant continu destiné à alimenter efficacement

en énergie électrique régulée une lampe à décharge élec-

trique. Par rapport aux lampes classiques à incandes-

cence (filament de tungstène), les lampes à décharge élec-

trique produisent de la lumière avec une-efficacité beaucoup plus grande et ont une durée de vie très supérieure. Etant donné qu'il est devenu nécessaire d'économiser l'énergie et de réduire les coûts d'entretien, les lampes à décharge à

haute intensité sont souvent préférées aux lampes à-incandes-

cence, en particulier dans le cas des applications à l'éclai-

rage extérieur tel que l'éclairage des rues et des routes, l'éclairage de sécurité, etc.

Les lampes classiques à décharge à haute inten-

sité sont normalement alimentées en courant alternatif qui

circule dans un ballast inductif (noyau magnétique et bobi-

nage). Le ballast est nécessaire pour limiter l'intensité du

courant circulant dans la lampe à décharge à résistance néga-

tive. Pour loger et supporter le ballast magnétique qui est nécessairement volumineux et lourd, les montures des lampes et leurs supports doivent être eux-mêmes volumineux et

robustes. Par conséquent, le coût global d'installation rela-

tivement élevé des systèmes d'éclairage à lampes à haute intensité peut être attribué principalement au coût, à la dimension et au poids du ballast magnétique classique à

courant alternatif.

Pour réduire la dimension du ballast nécessaire, des ballasts à semiconducteurs à haute fréquence ont été conçus de manière à permettre une diminution sensible de la dimension de la bobine nécessaire à ce ballast. Dans la mise en oeuvre des principes de l'alimentation à transistors de "commutation-régulation", un ou plusieurs commutateurs à semi-conducteurs sont utilisés pour fournir des impulsions de tension à haute fréquence à la lampe par l'intermédiaire d'une bobine de "roue libre", le courant de la lampe et du conducteur de roue libre étant maintenu par une diode de "retour" montée en parallèle lorsque le commutateur est 2. ouvert. Un tel ballast à semi-conducteur à haute fréquence est décrit, par exemple, dans le brevet des Etats-Unis

d'Amérique n0 3 486 070.

Un avantage important du ballast à semi-

conducteur à haute fréquence est que, à la différence du ballast magnétique classique à courant alternatif, il délivre

du courant continu à la lampe, ce qui élimine le scintil-

lement indésirable ou l'effet stroboscopique commun aux lampes alimentées en courant alternatif. De plus, la haute fréquence utilisée supprime le bourdonnement de 120 hertz, audible, fort et gênant, produit typiquement par de nombreux ballasts magnétiques à courant alternatif et rendant leur utilisation particulièrement indésirable dans la plupart des

applications intérieures.

L'inconvénient principal des circuits de ballast à haute fréquence est leur tendance à produire des émissions électromagnétiques de niveau élevé et des parasites à haute fréquence. Etant donné que les dispositifs à semi-conducteurs fonctionnent en mode de commutation pour produire des signaux de puissance à ondes carrées et à haute fréquence, riches en

harmoniques, des signaux importants de perturbations magné-

tiques et de perturbations à fréquences radio sont produits.

Il est nécessaire, pour tenter de limiter l'importance de ce

problème en réduisant la fréquence de commutation, d'accroî-

tre la dimension de la bobine et il peut en résulter égale-

ment la-génération de signaux acoustiques audibles ou ultra-

sonores qui peuvent raccourcir la durée de vie de la lampe en

la soumettant à une fatigue par vibrations.

L'invention a donc pour objet principal une source d'alimentation en courant continu régulé, peu coûteuse, légère et petite, pouvant être mise en oeuvre afin

de faire fonctionner efficacement une lampe à décharge élec-

trique pendant l'amorçage, le chauffage et l'utilisation continue, sans produire d'interférences électromagnétiques

ni de vibrations acoustiques.

Selon une caractéristique importante de l'inven-

tion, la lampe à décharge est connectée en série avec un circuit de ballast à semi-conducteur aux bornes d'une source 3. de tension et de courant continus. Le circuit de ballast contrôle et règle la circulation du courant vers la lampe en limitant ce courant à une valeur sûre au début de l'allumage de la lampe, puis en diminuant la résistance effective du circuit de commande lorsque la pression de vapeur augmente à l'intérieur de la lampe, ce qui diminue notablement la puissance dissipée dans le circuit du ballast pendant le

fonctionnement normal et accroît donc le rendement.

Dans une forme préférée de réalisation utilisant

les principes de l'invention, le circuit du ballast à semi-

conducteur, monté en série avec la lampe, comprend une résis-

tance chutrice fixe et un ou plusieurs transistors montés en parallèle. Au moment de l'allumage de la lampe, le transistor monté en parallèle ne conduit pratiquement pas, de manière

que la totalité du courant de la lampe passe par la résis-

tance chutrice fixe. Lorsque la tension de la lampe augmente

et que son courant diminue (en raison de l'accroissement de-

la pression de la vapeur à l'intérieur de la lampe pendant la période d'échauffement), un dispositif est utilisé pour accroître la conductivité du ou des transistors afin de constituer une source secondaire de courant pour la lampe et de réduire la résistance efficace et la dissipation de

puissance du circuit du ballast.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la conductivité du circuit de ballast à semi-conducteur est augmentée lorsque l'amplitude du courant circulant dans la

lampe descend au-dessous d'un certain niveau de seuil.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la puissance fournie à la lampe peut être avantageusement réglée par diminution du courant de seuil précité en réponse à des accroissements de la tension-apparaissant aux bornes de la lampe lorsque la pression de vapeur augmente à l'intérieur

de la lampe.

Selon l'invention, un prérégulateur peut être

avantageusement utilisé pour maintenir une tension sensible-

ment constante aux bornes du circuit du ballast à semi-

conducteur et pour régler le courant circulant dans la lampe en fonction des variations de la résistance efficace du

circuit de commande et en coopération avec ces variations.

4. Dans une forme préférée de réalisation utilisant les principes de l'invention, le prérégulateur se présente avantageusement sous la forme d'un prérégulateur piloté par un redresseur commandé et appliquant une tension au montage en série de la lampe et du circuit ballast à semiconducteur,

égale à la tension de la lampe augmentée d'une tension sensi-

blement constante de décalage.

L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels:

- les figures 1, 2 et 3 montrent les caractéris-

tiques de fonctionnement d'une lampe à décharge électrique classique, alimentée par la combinaison d'une source de tension à courant continu et d'un ballast à résistance fixe; - la figure 4 est un schéma d'un circuit ballast

à semi-conducteur de l'art antérieur, destiné à l'alimen-

tation d'une lampe à décharge à haute densité; - la figure 5 est un graphique montrant les caractéristiques de fonctionnement du circuit de la figure 4; - la figure 6 est un schéma d'une première forme de réalisation de l'alimentation selon l'invention; - la figure 7 est un graphique montrant les caractéristiques de fonctionnement du circuit de la figure 6; - la figure 8 est un schéma d'une seconde forme de réalisation de l'alimentation selon l'invention; - la figure 9 est un graphique montrant les caractéristiques de fonctionnement du circuit de la figure 8, et

- les figures 10 et 11 sont des vues en perspec-

tive de deux dispositifs à ballast à semi-conducteur, légers

et peu volumineux, utilisant les principes de l'invention.

Les lampes à décharge électrique produisent de la lumière sous l'effet du passage des électrons à de très grandes vitesses dans une vapeur ou un gaz. Lorsque les électrons entrent en collision avec les atomes du gaz, ils en modifient la structure atomique en élevant momentanément 5.

leurs niveaux d'énergie. Lorsque les atomes perturbés revien-

nent vers leurs niveaux normaux d'énergie, ils cèdent des photons suivant une ou plusieurs longueurs d'ondes distinctes. Les lampes à décharge comprennent des lampes à arc à électrodes de carbone, des lampes fluorescentes et, ce qui est particulièrement intéressant, un type de lampes très efficace, peu volumineux et d'une longue durée de vie, à savoir les lampes à décharge à haute intensité. Ces dernières lampes comprennent les lampes à vapeur de mercure, les lampes à vapeur de mercure et aux halogénures métalliques et les

lampes à vapeur de sodium.

Les lampes à décharge électrique, une fois allumées, présentent une caractéristique de "résistance négative", c'est-à-dire que, lorsque le courant circulant dans la lampe augmente, la tension aux bornes de la lampe diminue. Les caractéristiques tension/courant d'une lampe typique à décharge électrique à vapeur, alimentée par un simple ballast à résistance fixe, sont montrées sur les figures 1 et 2. Comme représenté sur la figure 1, la lampe est connectée en série avec une résistance fixe R aux bornes d'une source de tension continue E. La tension E à vide doit être suffisamment grande pour amorcer un arc entre les électrodes de la lampe. Une petite quantité d'un gaz facilement ionisé, par exemple de l'argon, est souvent introduite dans le tube à arc, afin de faciliter l'amorçage. Lorsque l'arc est amorcé, le courant de la lampe s'élève brusquement à la valeur Il, montrée sur la figure 2, auquel point la caractéristique tension/courant de

l'alimentation de la lampe (représentée par la ligne pointil-

lée descendante sur la figure 4) coupe la courbe caractéris-

tique tension/courant L1 de la lampe "froide". Ainsi, immédiatement après l'allumage, le courant I1 de la lampe est relativement élevé et la tension E1 aux bornes de la lampe est relativement basse. Lorsque la lampe est maintenue allumée, sa chaleur commence à vaporiser le mercure, ce qui accroît la pression de la vapeur de mercure à l'intérieur du tube à arc. Lorsque la lampe est partiellement chauffée, sa caractéristique tension/courant est modifiée comme indiqué 6. par la courbe L2. Au bout de 2 ou 3 minutes, la lampe atteint sa température normale de fonctionnement et le mercure contenu dans le tube est totalement vaporisé, ce qui confère

à la lampe la caractéristique indiquée par la courbe L3.

La tension réelle aux bornes de la lampe et le courant réel circulant dans la lampe dépendent, à tout moment, du point d'intersection de la courbe caractéristique de fonctionnement de la lampe et de la caractéristique

linéaire tension/courant de la source d'alimentation à résis-

tance fixe. Comme montré sur la figure 2, lorsque la lampe s'échauffe, la tension à ses bornes augmente progressivement jusqu'à une valeur finale de fonctionnement E3 alors que le courant de la lampe descend jusqu'au niveau I3* Bien qu'un tel ballast à résistance fixe soit tout à fait utilisable, il manque par trop d'efficacité. La

puissance dissipée dans la résistance du ballast est propor-

tionnelle au carré de la tension du ballast (E-EL). Etant donné -que la tension aux bornes du ballast est élevée, en particulier pendant l'amorçage de la lampe, une quantité

relativement importante d'énergie est perdue dans le ballast.

Si l'on tente d'accroître le rendement en réduisant la

tension de la source et la résistance du ballast, on rencon-

tre immédiatement une difficulté comme indiqué sur la figure 3. En réduisant la tension de la source à une valeur égale à E/2 et en réduisant également la résistance du ballast, le courant initial de la lampe peut encore être limité à la valeur I1 montrée sur la figure 3. Il convient cependant de noter que certains dispositifs auxiliaires doivent être utilisés pour allumer la lampe, car la tension à

vide réduite E/2 ne permet pas de déclencher la conduction.

De plus, lorsque la lampe s'échauffe au-delà du point corres-

pondant à sa caractéristique tension/courant L2, l'alimen-

tation à faible tension et faible résistance ne permet plus de maintenir l'arc. En conséquence, lorsque la tension de la lampe atteint la valeur E4 et que le courant de la lampe

descend jusqu'à la valeur I41 ladite lampe s'éteint d'elle-

même. 7.

Avant de considérer les principes de l'inven-

tion, une autre observation peut être faite en ce qui

concerne la stabilité du point de fonctionnement de la lampe.

Il convient de noter que, comme montré sur la figure 3, la courbe caractéristique L1 de fonctionnement de la lampe froide coupe également la caractéristique de fonctionnement de la source au point (E5, 15). Ce point n'est cependant pas un point de fonctionnement stable car, lorsque le courant circulant dans la lampe augmente, la diminution de la tension appliquée aux bornes de la lampe est plus rapide que

l'accroissement de la tension aux bornes du ballast.

Autrement dit, pour que le point de fonctionnement de la lampe soit stable, la résistance dynamique efficace du ballast dEB/dI doit être supérieure à la résistance négative dynamique efficace de la lampe dEL/dI. Le fait qu'une lampe puisse fonctionner de manière stable pourvu que la résistance dynamique efficace du ballast soit suffisamment élevée, quelle que soit sa résistance réelle, joue un rôle important dans le développement et dans la compréhension des principes

de l'invention.

Le circuit ballast à semi-conducteur montré sur la figure 4 représente une première technique conçue pour améliorer l'efficacité d'un système d'éclairage à décharge électrique, à ballast résistif et courant continu. Un pont redresseur et doubleur de tension classique, comprenant des diodes 30, des condensateurs 31 de doublage de tension et un condensateur 32 de filtrage, applique une tension continue aux bornes d'un montage en série constitué par une lampe 35 à décharge et un circuit de commande à semi-conducteur indiqué

globalement à l'intérieur du cadre pointillé 37. Comme repré-

senté, le circuit 37 de commande se comporte comme un ballast résistif dont la résistance est élevée lorsque la tension de la lampe est basse, cette résistance diminuant lorsque la tension de la lampe augmente pendant l'échauffement. De cette manière, le circuit 37 de commande fournit la résistance élevée nécessaire pour limiter le courant de la lampe pendant la période d'allumage de cette dernière et une résistance de valeur sensiblement réduite permettant de limiter la 8. puissance consommée par le ballast pendant le fonctionnement normal. Une lampe typique à vapeur de mercure nécessite une alimentation ayant une tension à vide d'environ 300 volts. Cette tension est produite par les condensateurs

31 de doublage de manière à provoquer l'allumage de la lampe.

La tension aux bornes de la lampe 35 chute ensuite brusque-

ment pour descendre à une valeur d'environ 25 volts ou moins.

L'appel important de courant produit par la lampe après l'allumage réduit la tension aux bornes du condensateur 32 de filtrage à environ 160 volts (les condensateurs 31, dont la capacité est relativement basse, produisent une action de doublage de tension uniquement lorsque cela est nécessaire pour amorcer la lampe, c'est-à-dire lorsque le circuit est

ouvert).

Immédiatement après l'allumage de la lampe, le courant circule pratiquement en totalité dans le montage en série constitué par une résistance chutrice fixe 40 et un transistor 41. Ce dernier -est commandé par le montage en cascade de transistors 43 et 45 dont la conduction est

commandée par la tension aux bornes d'une résistance 47.

Les résistances 47 et 49 forment ensemble un diviseur de tension connecté aux bornes du circuit ballast 37 à semi-conducteur. Etant donné que la tension aux bornes du circuit 37 est élevée lorsque la tension de la lampe est

basse, les transistors 43, 45 et 41 sont totalement conduc-

teurs immédiatement après l'allumage de la lampe.

Les bases de deux transistors de puissance 51 et 53 sont connectées à la jonction de la résistance chutrice fixe 40 et du transistor 41. Des résistances 55 et 57 d'émetteur sont montées en série avec les transistors 51 et 53, respectivement, afin d'assurer le partage égal, entre ces deux transistors de puissance, du courant de charge les parcourant. Une thermistance 60 relie les collecteurs des transistors de puissance 51 et 53 à la borne positive du condensateur 32 de filtrage. Cette thermistance 60 présente une résistance élevée lorsqu'elle est froide, afin de protéger les transistors de puissance 51 et 53 contre les 9. pointes de courant pouvant apparaître pendant l'amorçage. La thermistance 60 présente généralement une résistance de ohms à froid, cette valeur diminuant rapidement (au bout de 10 à 15. secondes de fonctionnement) jusqu'à un ou deux ohms. Une résistance 62 de réaction relie l'émetteur de l'un des transistors de puissance, à savoir le transistor 51, à la base du transistor 43 de détection de tension du ballast, afin de limiter le gain et d'assurer la stabilité des transistors d'amplification montés en cascade et constituant

le circuit 37.

Lorsque la pression de vapeur régnant dans la lampe 35 augmente, la tension aux bornes de la lampe augmente

également et la tension aux bornes du circuit 37 diminue.

Lorsque la tension du ballast diminue, les transistors 43, 45 et 41 deviennent moins conducteurs, ce qui élève la tension

d'émetteur du transistor 41 et rend conducteurs les transis-

tors de puissance 51 et 53. De cette manière, un courant supplémentaire d'alimentation est fourni à la lampe 35 par l'intermédiaire des transistors de puissance 51 et 53 montés

en parallèle. Si ce courant supplémentaire n'était pas dispo-

nible, la lampe s'éteindrait d'elle-même, (comme indiqué précédemment en regard de la figure 3), car là résistance chutrice fixe 40 est incapable, en elle-même, de fournir le courant convenable permettant d'entretenir l'arc sous des

pressions de vapeur plus élevées régnant dans la lampe.

Les caractéristiques de fonctionnement du circuit représenté sur la figure 4 sont indiquées sur le graphique de la figure 5. La caractéristique tension/courant de l'ensemble formé par le pont redresseur doubleur de tension et le circuit 37 de commande à semi- conducteur est

indiquée par la courbe en traits pointillés de la figure 5.

Dans des conditions de circuit ouvert ou de très faibles courants de charge, les condensateurs 31 de doublage de tension produisent une tension maximale d'environ 320 volts permettant d'allumer la lampe 35. Le courant de la lampe s'élève immédiatement jusqu'au point de fonctionnement stable de la courbe L1 qui correspond à la caractéristique tension/courant de la lampe lorsque le mercure ne s'est

encore pratiquement pas vaporisé.

10. Etant donné que la résistance du circuit ballast

37 augmente lorsque la tension de la lampe diminue, la carac-

téristique tension/courant de l'alimentation de la lampe (courbe en traits pointillés de la figure 5) n'est plus linéaire. Cette caractéristique tension/courant non linéaire réduit sensiblement la puissance consommée par le ballast pendant le fonctionnement continu. Comme montré sur la figure 5, le point final de fonctionnement (sur la courbe C3) permet à la lampe (par exemple une lampe à vapeur de mercure de 175 watts, du type "H39") de fonctionner à sa puissance nominale (par exemple une tension de 130 volts pour un courant d'environ 1,35 ampère). La tension normale de fonctionnement aux bornes du circuit ballast est notablement réduite (d'environ 170 volts dans le cas de la résistance fixe montrée sur la figure 3 à environ 40 volts dans le cas du circuit de commande à semi-conducteur -montré sur la figure 5), de sorte que la perte d'énergie dans le circuit

ballast est sensiblement réduite.

Un inconvénient résultant de l'utilisation du circuit de la figure 4 ressort d'une comparaison des figures 2 et 5. On peut noter que le ballast à résistance fixe applique des courants d'amorçage et d'échauffement plus élevés à la lampe avant d'atteindre le point normal spécifié de fonctionnement. On peut remédier à cet inconvénient et on peut obtenir d'autres avantages par l'utilisation d'un circuit de commande à semi-conducteur à régulation de puissance, du type montré sur la figure 6. De même que dans le cas du circuit de la figure 4, le circuit de régulation de puissance de la figure 6 est commandé par un pont redresseur classique à doublage de tension qui fournit une tension continue au montage en série constitué d'un circuit- de commande à semi- conducteur (indiqué globalement par le rectangle 100 en traits pointillés) et la lampe 35. (Dans le circuit 100 de commande, les composants assumant sensiblement les mêmes fonctions que les composants décrits précédemment

en regard de la figure 4 portent les mêmes références numéri-

ques sur les figures 4 et 6 et il est donc inutile de décrire

de nouveau leur fonction).

ab 1 1. La différence principale entre les circuits des figures 4 et 6 réside dans la manière suivant laquelle la conductivité des transistors 51 et 53 de puissance est commandée. Dans le circuit montré sur la figure 6, le transistor 101 est monté en série avec une résistance 102 d'émetteur connectée entre la base du transistor 43 et l'émetteur du transistor 45. La base du transistor 101 est

elle-même connectée à un noeud 110 de sommation de courant.

Le collecteur d'un transistor 112 se comporte comme une source de courant constant qui prélève un flux d'électrons constant du noeud 110 (la valeur de ce courant constant pouvant être choisie au moyen d'un potentiomètre 114 de réglage). Les électrons sont introduits dans le noeud 110 en

-passant par des résistances 120 et 122.

La résistance 120 est montée entre le noeud 110 de sommation et le point de jonction de la lampe 35 et d'une résistance 125 de détection de courant. Par conséquent, le

flux d'électrons pénétrant dans le noeud 110 par la résis-

tance 120 est proportionnel au courant de la lampe.

La résistance 122 connecte le noeud 110 de somma-

tion à la cathode d'une diode 129 de Zener dont l'anode est

reliée à la borne négative de la source de tension continue.

Etant donné que la chute de tension dans la résistance 120 est nécessairement faible par rapport à la tension de la lampe, le courant ne circule dans la résistance 122 que lorsque la tension de la lampe dépasse la tension d'avalanche

de la diode 129 de Zener (par exemple 72 volts).

Le fonctionnement du circuit montré sur la

figure 6 est illustré par les courbes caractéristiques indi-

quées sur la figure 7. Comme représenté sur la figure 7, immédiatement après l'allumage de la lampe, les transistors de puissance 51 et 53 sont totalement bloqués et le courant de la lampe passe pratiquement en totalité par la résistance chutrice 40 qui en limite la valeur à environ 2 ampères, correspondant au point de fonctionnement stable de la courbe

caractéristique tension/courant L1 de la lampe "froide".

Etant donné que la tension de la lampe, immédiatement après l'allumage, est très au-dessous de la tension d'avalanche de 12. la diode 129 de Zener, aucun courant ne circule dans la résistance 122 et la conductivité du transistor 101 ne dépend donc que de la différence entre le courant constant provenant du transistor 112 et le courant passant dans la résistance 120 et proportionnel au courant de la lampe. Etant donné que la tension aux bornes de la lampe froide est faible (courbe L1), la diode 129 de Zener reste bloquée sur toute la plage de courant concernée et la caractéristique tension/courant de l'alimentation de la lampe suit la courbe S1. D'une manière correspondante, lorsque la lampe est partiellement chaude et suit la caractéristique tension/courant L2, la tension

présente à ses bornes dépasse légèrement la tension d'ava-

lanche de la diode 129 de Zener et un courant relativement faible passe dans la résistance 122. Ce faible courant a pour effet de décaler, vers une plus faible valeur du courant de la lampe, le courant de seuil pour lequel le transistor 101 commence à conduire. Enfin, lorsque la lampe atteint la température normale de fonctionnement et la pression normale de la vapeur, elle présente la caractéristique tension/courant L3. A ce moment, la tension de la lampe est très nettement supérieure à la tension présente aux bornes de la diode 129 de Zener et un courant notablement supérieur circule donc dans la résistance 122, de sorte que le courant passant dans la résistance 125 de détection doit diminuer beaucoup plus nettement avant que le transistor 101 conduise davantage. En comparant les figures 5 et 7, on peut observer que le circuit de la figure 6 est capable de porter plus

rapidement la lampe à sa température normale de fonction-

nement en fournissant à cette lampe un courant supérieur

pendant la période d'échauffement.

Par une sélection appropriée des valeurs des composants, il est possible de réaliser le circuit de la figure 6 afin qu'il puisse fournir à la lampe un courant sensiblement constant pour toutes les tensions de la lampes supérieures à la tension d'avalanche de la diode 129 de Zener. En effet, le courant de la lampe diminue lorsque la tension de ladite lampe augmente de telle manière que le 13. produit du courant par la tension reste pratiquement inchangé. Par exemple, dans le cas de la figure 7, il apparaît que la puissance fournie à la lampe lorsqu'elle est partiellement chauffée (courbe L2) est d'environ 175 watts (produit de 100 volts par 1,75 ampère). Lorsque la lampe est totalement chauffée, sa tension de fonctionnement s'élève à environ 130 volts, mais son courant descend à environ 1,35 ampère, de sorte que la puissance fournie à la lampe est

toujours de 175 watts.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit de la figure 6 comprend un dispositif destiné à maintenir la conductivité des transistors de puissance 51 et 53 dans le cas d'une réduction quelconque de la tension

continue d'alimentation, de manière à compenser les varia-

tions de la tension de secteur. Ceci est réalisé au moyen de la résistance 49 qui, avec le transistor 101, conmmande la conductivité du transistor 43, etc. Dans le cas o la tension de secteur diminue, la polarisation de base, dans le sens direct, du transistor 43 diminue, ce qui tend à bloquer les transistors 43, 45 et 41 et à maintenir la conductivité des

transistors de puissance 51 et 53.

Comme montré sur la figure 6, une diode 140 peut être montée entre les bases des transistors de puissance 51 et 53 et l'émetteur du transistor 41afin de protéger les transistors de commande à faible puissance contre toute détérioration dans le cas d'une panne grave apparaissant dans

le circuit comprenant les transistors de puissance 51 et 53.

En outre, pour assurer la stabilité du circuit d'amplifi-

cation constitué par les trois transistors 43, 45 et 41 montés en cascade, le montage en parallèle d'un condensateur

141 et d'une résistance 143 peut être connecté entre l'émet-

teur du transistor 41 et la base du transistor 43.

La source de courant constant, comprenant le transistor 112, est alimentée par l'ensemble constitué d'une résistance 151 et de trois diodes 153, 154 et 155 polarisées dans le sens direct. Les diodes 153 et 154 appliquent une tension constante aux bornes du montage en série constitué par le potentiomètre 114 et la jonction base-émetteur du 14. transistor 112. Si la tension aux bornes du circuit ballast est très basse (comme ce peut être le cas lorsque la tension de la lampe est élevée et que les transistors de puissance 51 et 53 conduisent), le courant circulant dans la résistance 151 peut ne pas convenir à l'alimentation de la source de courant constant. Cependant, à ce moment, la conductivité du transistor 41 est réduite et, par conséquent, un courant supplémentaire est fourni à la source de courant constant au

moyen d'une résistance 159 de connexion croisée.

Comme indiqué précédemment, les principes de l'invention peuvent être appliqués pour réduire sensiblement

la puissance dissipée dans le circuit ballast dans des condi-

tions normales de fonctionnement. Cependant, des considéra-

tions pratiques limitent les possibilités de réduction de la tension du ballast. Le circuit doit fonctionner efficacement, bien que la tension alternative du secteur puisse varier entre 108 et 132 volts, par exemple. De plus, on peut prévoir que la tension normale de fonctionnement appliquée aux bornes des lampes du même type, disponibles dans le commerce, varie de + 10 %. Par conséquent, le circuit ballast doit pouvoir présenter une chute de tension convenable dans les conditions les plus défavorables d'une tension de secteur maximale et d'une tension minimale de fonctionnement de la lampe. Les composants suivants conviennent à l'alimentation d'une lampe à vapeur de mercure de 175 watts du type "H39: Transistors 43, 45 et 101 2N4400 Transistors 51 et 53 DTS 431 Transistor 41 2N6489 Transistor 112 2N4402 Diodes 30 3 ampères Diodes 153, 154 et 155 1 ampère Diode 129 72 volts, 10 milliwatts Condensateur 31 5 microfarads, 200 volts Condensateur 32 240 microfarads, 350 volts Condensateur 141 0,22 microfarad Résistance 40 80 ohms, 100 watts Résistance 49 100 kilohms, 1/4 watt Résistances 55 et 57 0,47 ohm, 1/4 watt 15. Résistance 102 68 ohms, 1/4 watt Résistance 113 330 ohms, 1/4 watt Résistance 120 24 kilohms, 1/4 watt Résistance 122 3,3 mégohms, 1/4 watt Résistance 125 0,5 ohm, 5 watts Résistance 143 4,3 kilohms, 1/4 watt Résistance 151 27 kilohms, 1 watt Potentiomètre 114 7,5-8,5 kilohms, 1/4 watt Thermistance 60 120 ohms (à froid) Dans les circuits montrés sur les figures 4 et 6, une certaine puissance doit être dissipée par le ballast immédiatement après l'allumage. A ce moment, les transistors 51 et 53 sont bloqués, et le courant important d'amorçage de la lampe circule par la résistance chutrice fixe 40. De plus, pendant l'échauffement, alors que les transistors de puissance 51 et 53 ne conduisent que partiellement, ils dissipent également une certaine puissance. Bien que cette forte dissipation de puissance dans le circuit ballast ne dure pas longtemps (une ou deux minutes), elle demande à la résistance 40 et aux transistors 51 et 53 d'avoir des puissances nominales élevées et elle demande également de prendre soin de mettre en place des radiateurs et des circuits de convection d'air convenables pour maintenir le

circuit ballast à une température de sécurité pendant l'amor-

çage.

Cet inconvénient peut être pratiquement éliminé par l'utilisation d'un prérégulateur piloté par tension à la place du pont redresseur classique (montré sur la figure 6), ce prérégulateur étant conçu pour produire une tension de sortie égale à la tension de la lampe, augmentée d'une tension constante et prédéterminée de décalage. De cette manière, la tension aux bornes du circuit ballast peut être maintenue à un faible niveau, ce qui assure une consommation réduite d'énergie dans le circuit ballast, même pendant l'échauffement. En assurant ainsi une faible consommation d'énergie dans le-ballast, quelles que soient les variations

de la tension du secteur ou les variations des caractéris-

tiques de fonctionnement de la lampe, il est possible de

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16.

diminuer la puissance des composants entrant dans la réalisa-

tion du ballast, d'utiliser de plus faibles radiateurs, etc., ce qui réduit davantage la dimension et le coût du ballast,

tout en augmentant, en même temps, son efficacité.

Un circuit d'alimentation d'une lampe utilisant un tel prérégulateur piloté par tension est montré sur la figure 8. Le prérégulateur convertit la tension alternative

du secteur, appliqué à des bornes 203, en une tension conti-

nue et régulée de sortie apparaissant aux bornes d'un conden-

sateur 205 de filtrage. La tension aux bornes du condensateur 205 est maintenue à un niveau égal à la tension aux bornes de la lampe 35, augmentée d'une tension constante de décalage

établie par une diode 207 de Zener, ce qui maintient l'appli-

cation d'une tension constante aux bornes du circuit ballast

100 à semi-conducteur (montré en détail sur la figure 6).

Le prérégulateur comprend un pont composé de deux

diodes classiques 209 et deux redresseurs commandés au sili-

cium 211. Les gâchettes des redresseurs 211 sont connectées par des diodes 213 à la cathode de la diode 207 de Zener. Des résistances 215 sont montées entre les grilles et les cathodes des redresseurs 211. Deux diodes 217 sont montées entre les bornes de l'alimentation en courant alternatif et une borne d'une résistance 219 dont l'autre borne est reliée à la cathode de la diode 207 de Zener. Deux condensateurs 221 de doublage de tension sont montés en parallèle avec le

condensateur 205 de filtrage.

La chute de tension aux bornes de la diode 207 de Zener maintient la tension continue, appliquée aux gâchettes des redresseurs 211, à un niveau égal à la tension de la

lampe augmentée d'une tension de décalage ou tension diffé-

rentielle constante. De cette manière, les redresseurs 211 sont allumés (lorsqu'ils sont polarisés dans le sens direct)

lorsque la tension aux bornes du condensateur 205 descend au-

dessous de la tension de la lampe augmentée de la tension

constante de décalage établie par la diode 207 de Zener.

Etant donné que la tension aux bornes du condensateur 205 "suit' la tension de la lampe, la tension aux bornes du circuit ballast 100 est maintenue à une valeur sensiblement constante. 17. Le prérégulateur à pilotage par redresseurs commandés au silicium, montré sur la figure 8, fonctionne en utilisant les variations de la résistance efficace du circuit ballast 100. Lorsque la pression de la vapeur à l'intérieur de la lampe augmente, le courant de la lampe chute, et la tension de la lampe monte, ce qui provoque un accroissement de la conductivité du circuit ballast 100 (comme décrit précédemment). Simultanément, le prérégulateur à redresseurs commandés au silicium augmente la tension efficace de la

source appliquée au condensateur 205 de filtrage.

La caractéristique tension/courant de l'alimen-

tation de la lampe montrée sur la figure 8 est indiquée sur la figure 9. Au début de l'allumage de la lampe et alors que cette dernière présente une caractéristique tension/courant L1 correspondant à l'état froid de la lampe, le courant est limité par le circuit ballast 100 à un niveau desécurité, qui est cependant relativement élevé, afin d'assurer un échauffement rapide. La tension efficace de la source de courant continu (c'est-à-dire la tension aux bornes du condensateur 205 de filtrage) est cependant limitée à une valeur légèrement supérieure à la tension initialement basse de la lampe. Lorsque la lampe s'échauffe et que la tension à ses bornes croît, la tension aux bornes du condensateur 205

croît avec elle, ce qui maintient une chute de tension cons-

tante aux bornes du circuit ballast 100. Cependant, lorsque la tension de la lampe augmente, le courant de seuil pour lequel le circuit ballast 100 devient conducteur diminue, de sorte qu'une puissance sensiblement constante est fournie à

la lampe.

La tension aux bornes du circuit ballast 100 à semi-conducteurs peut comprendre une composante relativement ondulée" pourvu que la tension ne chute jamais au-dessous du

niveau nécessaire à la commande des transistors du circuit.

Pour réduire l'amplitude de cette composante d'ondulation, la valeur du condensateur 205 de filtrage doit être grande (par exemple de 1000 microfarads). Cependant, étant donné que les transistors de puissance 51 et 53 et la résistance chutrice fixe 40 (montrés sur la figure 6) n'ont plus à dissiper une 18. puissance importante, leurs valeurs nominales peuvent être

notablement réduites.

Grâce au prérégulateur à pilotage, la puissance dissipée par le circuit ballast à semi-conducteurs ne dépend plus de la lampe particulière commandée. Par exemple, les différents types de lampes suivants, disponibles dans le commerce, peuvent être commandés par le circuit montré sur la figure 8 Puissance Type Tension Courant Tension de la nominale nominal d'amorçage lampe de de (V)

fonction- fonction-

nement nement

(V) (A)

"H43" vapeur 130 0,66 300 de mercure 250 "H37" vapeur 130 2,10 300 de mercure 400 "M59" halo- 135 3,25 525

génures mé-

talliques 400 "S56" vapeur 100 4,60 2500 de sodium Dans chaque cas, le courant de fonctionnement est établi par un réglage du potentiomètre 114 (figure 6). Dans le cas de la lampe à vapeur de sodium dont la tension est plus basse, une diode de Zener, ayant une tension d'avalanche inférieure, peut être utilisée à la place de la diode 129 de Zener à tension d'avalanche de 72 volts, montrée sur la

figure 6.

On peut noter que la tension en circuit ouvert de 320 volts produit par le doubleur de tension seul, ne

convient pas à l'amorçage des lampes aux halogénures métal-

liques et à vapeur de sodium indiquées ci-dessus. De plus, le doubleur de tension est également incapable de ré-amorcer une lampe chaude à vapeur de mercure dans le cas d'une panne d'alimentation momentanée. Par conséquent, un circuit 300 produisant des impulsions d'amorçage auto- oscillantes, du

type montré sur la figure 8, peut être utilisé pour l'amor-

çage (ou le ré-amorçage) de la lampe 35.

19. Dans la source 300 d'impulsions à haute tension montrée sur la figure 8, l'enroulement primaire 301 d'un

transformateur toroidal est connecté en série avec un conden-

sateur 303 d'emmagasinage et une résistance 304 de charge aux bornes du condensateur 205 de filtrage. Un dispositif 307 de rupture à avalanche (un dispositif du type "SIDAC" de 300 volts) devient conducteur lorsque le condensateur 303 se charge à 300 volts, de manière à émettre une impulsion de courant passant par l'enroulement primaire 301 et appliquant une tension électrostatique élevée (environ 4000 volts en pointe) aux bornes d'un enroulement secondaire 302, ce qui amorce la conduction à travers la lampe au moyen de la

technique bien connue de "injection" de tension.

Lorsque la lampe s'allume, la tension aux bornes du condensateur 205 chute bien au-dessous des 300 volts nécessaires à provoquer la rupture du dispositif "SIDAC" 307

et la production des impulsions d'amorçage cesse.

Les principes de l'invention peuvent être utilisés pour la réalisation du ballast à courant continu à semi-conducteur du type montré sur la figure 10. Une ampoule de lampe à décharge à haute intensité, disponible dans le commerce et représentée globalement en 311, est vissée et supportée dans un boîtier 310 de ballast. Ce boîtier 310, de forme à peu près cylindrique, est conçu pour refroidir le circuit ballast par convection. Les transistors de puissance utilisés dans le circuit ballast sont montés en contact thermique par les parois intérieures d'un radiateur en aluminium extrudé comportant des ailettes 316 qui font saillie vers l'extérieur. Le radiateur et une paroi 313 du boîtier, constituée d'une tôle semi-cylindrique perforée, sont maintenus entre des plaques de base inférieure 312 et supérieure 314 qui sont également perforées (comme indiqué en 315) afin de ventiler l'intérieur du bottier. Un connecteur électrique à vis normalisé, indiqué en 317, comprenant une broche centrale conductrice 321 et une douille extérieure conductrice 320, est destiné à être relié par vissage à une douille normalisée de lampe et à établir un contact avec

cette douille (de laquelle une ampoule à incandescence exis-

20. tante peut être retirée et remplacée par l'ensemble formé par le ballast et par la lampe à décharge à haute densité, plus efficace et plus durable). Etant donné que cet ensemble à lampe à décharge à haute densité et ballast est léger et peu volumineux, la transformation des montures existantes pour lampe à incandescence afin de les adapter pour l'éclairage par lampe à décharge à haute densité peut s'effectuer aussi

* aisément que le remplacement des ampoules.

La nature peu volumineuse et les faibles dimen-

sions du ballast permettent également à ce dernier d'être installé aux emplacements des boites de jonction électrique, dans des installations électriques domestiques classiques, comme montré sur la figure 11. L'alimentation bifilaire en courant alternatif du secteur arrive en 331 à la boîte 328 de jonction et l'alimentation en courant continu est fournie à la lampe éloignée 333 à décharge à haute intensité au moyen de deux conducteurs 335. Le bottier du ballast, représenté globalement en 340 sur la figure 11, comporte un raccord 341 de conduit qui passe dans un trou 342 initialement obturé, de

la boite 328 de jonction. A la différence des ballasts magné-

tiques classiques, il n'est pas nécessaire que le ballast à courant continu à semi-conducteur selon l'invention soit placé à proximité immédiate de la lampe qu'il commande, ce qui constitue un avantage particulier dans de nombreux

systèmes d'éclairage aériens et décoratifs.

Il va de soi que de nombreuses modifications

peuvent être apportées à l'alimentation décrite et repré-

sentée sans sortir du cadre de l'invention.

21.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. - Alimentation de lampe (35) à décharge élec-

trique à vapeur, caractérisée en ce qu'elle comporte une source de tension continue, un circuit ballast résistif (100) à semi-conducteur, connecté en série avec la lampe aux bornes de la source, un dispositif destiné à établir un niveau de courant de seuil, et un dispositif destiné à augmenter la conductivité du circuit ballast lorsque l'amplitude du courant passant dans la lampe descend au-dessous dudit niveau

de courant de seuil.

2. - Alimentation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif destiné à faire descendre le niveau du courant de seuil en réponse à des augmentations de l'amplitude -de la tension aux bornes de

la lampe.

3. - Alimentation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif destiné à élever l'amplitude de la tension continue produite par la source en réponse à des augmentations de la tension aux

bornes de la lampe.

4. - Dispositif destiné à un système d'éclairage électrique du type comprenant un circuit ballast résistif

(100) connecté en série avec une lampe (35) à décharge élec-

trique aux bornes d'une source de tension continue, ce dispo-

sitif étant caractérisé en ce qu'il comporte un élément destiné à diminuer la résistance efficace du circuit ballast en réponse à une baisse de l'amplitude du courant passant dans la lampe au-dessous d'un niveau de seuil variable, et un élément destiné à diminuer la valeur du niveau de seuil variable en réponse à un accroissement de l'amplitude de la

tension aux bornes de la lampe.

5. - Dispositif selon la revendication 4, carac-

térisé en ce qu'il comporte un élément qui, sous l'effet d'augmentations de la tension aux bornes de la lampe, élève

l'amplitude de ladite tension continue de la source afin de -

maintenir une tension sensiblement constante aux bornes du

circuit ballast.

22.

6. - Dispositif selon la revendication 4, carac-

térisé en ce qu'il comporte un condensateur (303), un trans-

formateur élévateur de tension dont l'enroulement primaire

(301) est connecté au condensateur (303) et dont l'enrou-

lement secondaire (302) est connecté à la lampe (35), un circuit de charge qui est monté entre le condensateur et ladite source de tension continue, et un dispositif (307) à

chute de tension monté de manière à décharger ledit conden-

sateur par l'enroulement primaire lorsque la tension aux bornes de ce condensateur atteint une valeur prédéterminée

afin que des impulsions d'amorçage à haute tension soient ap-

pliquées à la lampe lorsque la tension continue produite par

la source dépasse une valeur prédéterminée.