FR2745460A1 - Supply of high frequency discharge lamps by resonant coupling - Google Patents

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    • H05B41/24—Circuit arrangements in which the lamp is fed by high frequency ac, or with separate oscillator frequency

Abstract

The high frequency discharge lamp is supplied by resonant coupling. A high frequency generator (G) provides the supply, and this alternating supply is adapted to the load formed by the discharge lamp (L) via a resonant circuit (A,C). A region of the lamp, situated between the points where the alternating potential is applied, is referenced to a set potential, which lies between the extremes of the applied alternating voltage. The reference potential is applied through a coupling element (Ec) placed in proximity to this zone. The alternating potential is adjustable to control the spectral response of the discharge lamp. The coupling element (Ec) is a metal plate or mesh placed inside the wall of the discharge lamp and excited from outside the lamp.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIFS D'ALIMENTATION DE LAMPES A DECHARGE EN
HAUTE FREQUENCE PAR COUPLAGE RESONANT ADAPTE
DOMAINE TECHNIQUE.METHOD AND DEVICES FOR SUPPLYING DISCHARGE LAMPS
HIGH FREQUENCY BY SUITABLE RESONANT COUPLING
TECHNICAL AREA.

Cette invention est relative au domaine de l'alimentation en haute fréquence des lampes à décharge. Elle concerne en particulier, I'amélioration du rendement lumineux global de ces lampes et l'accroissement de la durée de vie des éléments éclairants, nous utiliserons le terme "lampe à décharge" ou "lampe" celui-ci s'appliquera à tout dispositif comportant une enceinte close, contenant un gaz et éventuellement d'autres éléments et dont la fonction principale sera de convertir l'énergie électrique en radiations millimétriques ou submillimétriques, appartenant ou non au spectre visible.This invention relates to the field of high frequency supply of discharge lamps. It concerns in particular, the improvement of the overall light output of these lamps and the increase in the life of the lighting elements, we will use the term "discharge lamp" or "lamp" this will apply to any device comprising a closed enclosure, containing a gas and possibly other elements, the main function of which will be to convert electrical energy into millimeter or submillimeter radiation, whether or not belonging to the visible spectrum.

ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE.PRIOR STATE OF THE ART.

Les principes d'alimentation en haute fréquence des lampes à décharge sont connus depuis longtemps. L'un des problèmes généraux rencontrés dans cette approche, consiste à améliorer le rendement global de l'ensemble : lampe et alimentation,
Différents modes d'alimentation en haute fréquence ont été utilisés dans ce but, tels que ceux décrits dans le document référencé : GB 2.163.014 A qui utilise des éléments FET de puissance pour améliorer le rendement, mais qui nécessite un filtrage important et coûteux sans lequel des perturbations de l'environnement radioélectrique sont fréquents.The principles of high frequency supply of discharge lamps have been known for a long time. One of the general problems encountered in this approach consists in improving the overall efficiency of the assembly: lamp and power supply,
Different high frequency power supply modes have been used for this purpose, such as those described in the document referenced: GB 2.163.014 A which uses power FET elements to improve the efficiency, but which requires significant and costly filtering without which disturbances of the radioelectric environment are frequent.

De nombreux dispositifs d'alimentation, basés sur les mêmes principes ne permettent pas encore d'obtenir un rendement satisfaisant, par ailleurs, il est encore fréquent d'utiliser dans le même dispositif, une alimentation HF et des dispositifs de préchauffage ou même d'amorçage , ce qui nuit gravement à la durée de vie de la lampe à décharge, par ailleurs un contrôle, même très partiel, de la réponse spectrale des lampes à décharge n'est pas proposé, notons encore que le démarrage à basse température de ces dispositifs produit généralement, lorsqu'il est possible, une puissante impulsion électro-magnétique, enfin les dispositifs actuels peuvent provoquer des phénomènes de striation dans les lampes.Many supply devices, based on the same principles do not yet allow a satisfactory yield to be obtained, moreover, it is still common to use in the same device, an HF supply and preheating devices or even ignition, which seriously harms the life of the discharge lamp, moreover, even a very partial control of the spectral response of the discharge lamps is not proposed, it should also be noted that starting at low temperature of these devices generally produces, when possible, a powerful electromagnetic pulse, finally current devices can cause striation phenomena in lamps.

L'INVENTION: II a été constaté que les différentes approches décrites dans l'état antérieur ne considèrent la lampe (ou tube) à décharge que comme un transducteur énergie électrique / énergie lumineuse. La présente invention prend en compte de manière originale, I'aspect émetteur d'une lampe à décharge et se propose d'appliquer à celle-ci les méthodes utilisées pour des antennes d'émission en radiofréquence.THE INVENTION: It has been noted that the various approaches described in the prior state consider the discharge lamp (or tube) only as an electrical energy / light energy transducer. The present invention takes into account in an original way, the emitting aspect of a discharge lamp and proposes to apply to it the methods used for radiofrequency transmission antennas.

C'est donc un but de la présente invention de proposer une amélioration sensible du rendement lumineux global d'une lampe à décharge par une nouvelle approche du couplage entre l'alimentation et les lampes à décharge en appliquant au couplage de la dite lampe des méthodes identiques à celles mises en oeuvre dans le couplage des antennes d'émission radiofréquence
Un but complémentaire de la présente invention est la très forte réduction des perturbations radio-électriques, grâce au référencement à un plan de masse lié à la lampe à décharge, de l'onde sinusoïdale d'alimentation de la lampe. It is therefore an object of the present invention to propose a significant improvement in the overall light output of a discharge lamp by a new approach to the coupling between the power supply and the discharge lamps by applying to the coupling of said lamp methods identical to those used in the coupling of radio frequency transmitting antennas
A complementary object of the present invention is the very strong reduction of radioelectric disturbances, thanks to the referencing to a ground plane linked to the discharge lamp, of the sine wave supplying the lamp.

Un autre but complémentaire de la présente invention est l'accroissement de la durée de vie des lampes à décharge par la non utilisation d'éléments de préchauffage et l'emploi de
conditions d'amorçage et d'entretien du flux lumineux beaucoup moins destructives.Another additional object of the present invention is to increase the life of the discharge lamps by the non-use of preheating elements and the use of
much less destructive conditions for starting and maintaining the luminous flux.

Un autre but complémentaire de la présente invention réside dans une possibilité de contrôle partiel de la réponse spectrale et de l'intensité lumineuse par l'utilisation des caracté
ristiques de ce nouveau mode de couplage.Another additional object of the present invention lies in a possibility of partial control of the spectral response and of the light intensity by the use of the characters.
of this new coupling mode.

Un autre but complémentaire de la présente invention est la possibilité de réaliser, grâce au mode de couplage, une illumination synchrone puissante, à haut rendement et faible dissipation thermique. Another complementary object of the present invention is the possibility of achieving, thanks to the coupling mode, a powerful synchronous illumination, with high efficiency and low heat dissipation.

Un autre but complémentaire de l'invention réside en une capacité de mise en service de la
lampe (ou tube) à décharge à basse température minimisant les radiations indésirables en
raison de la méthode de couplage.Another additional object of the invention resides in the ability to commission the
low temperature discharge lamp (or tube) minimizing unwanted radiation by
because of the coupling method.

Un autre but complémentaire de l'invention consiste en une diminution considérable de la dissipation thermique des lampes ou tubes à décharge en raison du rendement du couplage. Another additional object of the invention consists in a considerable reduction in the heat dissipation of discharge lamps or tubes due to the efficiency of the coupling.

Un autre but complémentaire de la présente invention est la diminution du stress visuel lié
à l'éclairage par utilisation de synthèse d'ondes périodiques de fréquence élevée attaquant
le coupleur.Another additional object of the present invention is the reduction of related visual stress
to lighting by using synthesis of periodic waves of high frequency attacking
the coupler.

Un autre but complémentaire de la présente invention est l'atténuation du phénomène de striation bien connu dans les tubes à décharge alimentés en haute fréquence, par l'application au coupleur d'une tension alternative contrôlée ou wobbulée en fréquence. Another additional object of the present invention is the attenuation of the well-known striation phenomenon in discharge tubes supplied at high frequency, by the application to the coupler of a controlled alternating voltage or wobbulated in frequency.

Ces buts sont atteints par un procédé utilisant le couplage résonant adapté de la charge représentée par le tube et son environnement..These aims are achieved by a process using the adapted resonant coupling of the load represented by the tube and its environment.

On en réfèrera à la figure 1 présentant un premier modèle d'architecture d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, suivant l'invention. We refer to Figure 1 showing a first architecture model of a device for implementing the method according to the invention.

le dispositif d'alimentation de la lampe ou tube à décharge se compose: - D'un générateur de tension alternative de haute fréquence (G) pouvant être analogue à un type quelconque de l'art antérieur.the device for supplying the discharge lamp or tube consists of: - A high frequency alternating voltage generator (G) which may be analogous to any type of the prior art.

- D'un dispositif d'adaptation (A) à la charge (L), configuré comme l'adaptateur d'une antenne d'émission en radiofréquence, analogue à un type quelconque de l'art antérieur de ce domaine.- A device for adapting (A) to the load (L), configured as the adapter for a radiofrequency transmission antenna, analogous to any type of prior art in this field.

- D'un nouveau dispositif de couplage (C) qui permet le référencement par un élément de couplage (Ec) d'une zone (z) de la charge (L) constituée par une lampe à décharge, laquelle peut être d'un type quelconque, par exemple : tubes fluorescents, néons ou divers gaz et solides associés ou non, vapeur de sodium, HID etc, I'homme de métier comprendra que cette liste n'est pas exhaustive et que l'invention peut s'appliquer à tout type de lampe ou tube à décharge utilisé pour produire des radiations visibles ou non.- A new coupling device (C) which allows referencing by a coupling element (Ec) of a zone (z) of the charge (L) constituted by a discharge lamp, which can be of a type any, for example: fluorescent tubes, neons or various gases and solids associated or not, sodium vapor, HID etc, the skilled person will understand that this list is not exhaustive and that the invention can be applied to any type of discharge lamp or tube used to produce visible or invisible radiation.

Le nouveau dispositif de couplage (C) réalise un meilleur transfert d'énergie, ce qui accroit notablement le rendement lumineux, réduit l'émission de radiations indésirables, simplifiant ainsi le filtrage de la dite tension alternative de haute fréquence et diminue les contraintes physiques d'amorçage et d'entretien du flux lumineux ainsi que les contraintes thermiques, accroissant de ce fait fortement la durée de vie de la lampe. The new coupling device (C) achieves better energy transfer, which notably increases the light output, reduces the emission of unwanted radiation, thus simplifying the filtering of said high-frequency alternating voltage and decreasing the physical constraints d priming and maintenance of the luminous flux as well as the thermal stresses, thereby greatly increasing the life of the lamp.

Selon les réalisations, le générateur sera adapté à une alimentation par une source de tension alternative ou continue, haute ou basse tension, (secteur, piles, batteries ou autres), sa fréquence sera fixe ou variable, asservie ou non, de la même manière, le niveau d'éclairement sera fixe ou variable, avec ou sans asservissement.According to the realizations, the generator will be adapted to a supply by an alternating or direct voltage source, high or low voltage, (sector, batteries, batteries or others), its frequency will be fixed or variable, controlled or not, in the same way , the lighting level will be fixed or variable, with or without control.

On se réfèrera à la figure 2 pour la description d'un premier exemple de réalisation particulière de l'invention comprenant -Un générateur de haute fréquence(G) composé comme suit
Un oscillateur HF (O) dont la fréquence peut être réglée par un circuit de commande (R), autonome ou asservi à un signal disponible sur une entrée (E), contrôle un circuit transposeur de niveau (T) qui commande un étage commutateur de puissance (P) aboutissant ainsi à la synthèse d'une onde tension HF sinusoïdale.Reference will be made to FIG. 2 for the description of a first particular embodiment of the invention comprising -a high frequency generator (G) composed as follows
An HF oscillator (O) whose frequency can be regulated by a control circuit (R), autonomous or slaved to a signal available on an input (E), controls a level transposing circuit (T) which controls a switching stage of power (P) thus resulting in the synthesis of a wave wave HF sinusoidal.

L'emploi de ce dispositif, appliqué à l'invention, contribue, contrairement à de nombreux systèmes résultant de l'art antérieur, à l'élimination d'un dispositif de filtrage coûteux, participant également à l'accroissement du rendement et à l'élimination des rayonnements indésirables.The use of this device, applied to the invention, contributes, unlike many systems resulting from the prior art, to the elimination of an expensive filtering device, also contributing to the increase in efficiency and to the elimination of unwanted radiation.

- Un adaptateur série (A) constitué d'une inductance (I), pouvant être réglable et servir de contrôle de l'intensité lumineuse et d'un condensateur (Cp).- A serial adapter (A) consisting of an inductor (I), which can be adjustable and serve to control the light intensity and a capacitor (Cp).

- Un couplage (C) réalisé, dans cet exemple, par une électrode du type grille (Gr) reliée à la masse (M), positionnée à proximité d'une zone située sur la lampe (L) ce mode de couplage apporte par rapport à l'art antérieur un rendement accru qui se traduit également par une réduction considérable de l'échauffement de la lampe
La figure 3 présente un second mode de réalisation particulière de l'invention comprenant un générateur HF (G) analogue à celui de la figure 2. Un adaptateur série (A) analogue à celui de la figure 2, complété par une capacité complémentaire (Cc) appliquée aux électrodes de pré chauffage des lampes à décharge utilisant ces dispositifs. Le couplage est réalisé par un dispositif analogue à celui de la figure 2. - A coupling (C) produced, in this example, by an electrode of the grid type (Gr) connected to ground (M), positioned near an area located on the lamp (L), this mode of coupling provides in the prior art increased efficiency which also results in a considerable reduction in the heating of the lamp
FIG. 3 shows a second particular embodiment of the invention comprising an HF generator (G) similar to that of FIG. 2. A serial adapter (A) similar to that of FIG. 2, supplemented by an additional capacity (Cc ) applied to the preheating electrodes of discharge lamps using these devices. The coupling is carried out by a device similar to that of FIG. 2.

La figure 4 décrit d'autres modes de réalisation possibles de l'invention comprenant Un générateur (G)analogue à celui de la figure 2. Un adaptateur (A) pouvant être, par exemple, celui de la figure 2 ou de la figure 3. Un élément de coupleur (C) pouvant être
Figure 4a : une grille reliée à la masse.FIG. 4 describes other possible embodiments of the invention comprising a generator (G) similar to that of FIG. 2. An adapter (A) which can be, for example, that of FIG. 2 or of FIG. 3 A coupler element (C) which can be
Figure 4a: a grid connected to ground.

Figure 4b : une surface métallique de forme quelconque reliée à la masse
Figure 4c : un fil relié à la masse.Figure 4b: a metallic surface of any shape connected to ground
Figure 4c: a wire connected to ground.

Figure 4d : une électrode en réseau reliée à la masse.Figure 4d: a networked electrode connected to ground.

Figure 4e : une électrode interne à la lampe, reliée à la masse.Figure 4e: an electrode internal to the lamp, connected to ground.

Figure 4f: un ensemble d'électrodes externes dont l'une est reliée à la masse
Là encore, I'homme de métier comprendra que tout couplage analogue à celui d'une antenne en radiofréquences, employant tous types et toutes combinaison d'électrodes internes ou externes utilisées sur toute forme de lampes ou tubes à décharge en appliquant le principe de couplage défini dans le procédé, répond à la définition de cette invention. Figure 4f: a set of external electrodes, one of which is connected to ground
Here again, those skilled in the art will understand that any coupling analogous to that of a radio frequency antenna, employing all types and all combinations of internal or external electrodes used on any form of discharge lamps or tubes by applying the coupling principle. defined in the process, meets the definition of this invention.

Concernant les applications industrielles, I'homme de l'art comprendra que l'invention s'applique au domaine de l'éclairage, tant fixe que mobile, public, industriel et domestique, les applications suivantes, non limitatives, illustreront ces possibilités
Intégration à la fabrication de ballasts électroniques à haut rendement offrant, économiquement, une compatibilité électromagnétique de haut niveau, répondant inté graiement aux nouvelles normes Européennes, ces ballasts couvriront tous les types de luminaires d'éclairage de la lampe portative au projecteur extérieur de forte puissance, mais également les enseignes lumineuses utilisant les tubes à gaz en leur offrant la compatibilité aux normes CEM les générateurs de rayonnements situés hors du spectre visible, les dispositifs d'éclairage synchronisés employés dans le domaine de la mesure et de la visualisation, Regarding industrial applications, those skilled in the art will understand that the invention applies to the field of lighting, both fixed and mobile, public, industrial and domestic, the following non-limiting applications will illustrate these possibilities
Integration into the manufacture of high efficiency electronic ballasts offering, economically, high level electromagnetic compatibility, fully meeting the new European standards, these ballasts will cover all types of lighting fixtures from portable lamp to high power outdoor projector , but also light signs using gas tubes by offering them compatibility with EMC standards, generators of radiation located outside the visible spectrum, synchronized lighting devices used in the field of measurement and visualization,

Claims (8)

REVENDICATIONS 1 ) Procédé d'alimentation pour des lampes à décharge en haute fréquence par couplage résonant adapté comprenant les étapes suivantes: - Génération d'une tension de haute fréquence (G) - Adaptation de la dite tension alternative de haute fréquence à une charge constituée d'une lampe à décharge (L) par l'intermédiaire d'un circuit résonant utilisant un adaptateur (A) , équipé d'un dispositif de couplage (C) caractérisé en ce que: Une zone (z) de la dite charge située entre les points d'application de la dite tension alternative est référencée à un potentiel déterminé, compris entre les valeurs extrêmes de la dite tension alternative par l'intermédiaire d'un élément de couplage (Ec) situé à proximité de ladite zone.CLAIMS 1) Supply method for high frequency discharge lamps by suitable resonant coupling comprising the following steps: - Generation of a high frequency voltage (G) - Adaptation of said high frequency alternating voltage to a constituted load a discharge lamp (L) via a resonant circuit using an adapter (A), equipped with a coupling device (C) characterized in that: A zone (z) of said charge located between the points of application of said alternating voltage is referenced to a determined potential, comprised between the extreme values of said alternating voltage by means of a coupling element (Ec) located near said zone. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on commande en outre la fréquence du générateur de tension alternative de haute fréquence pour commander la réponse spectrale.2) Method according to claim 1, characterized in that the frequency of the high frequency alternating voltage generator is further controlled to control the spectral response. 3 ) Procédé selon la revendication 2 ,caractérisé en ce que l'on fait varier la fréquence dudit générateur par un signal périodique pour le blanchiment de la réponse spectrale 4 ) Dispositif d'alimentation pour des lampes à décharge en haute fréquence par couplage résonant adapté comprenant: - Un générateur de tension alternative de haute fréquence (G).3) Method according to claim 2, characterized in that the frequency of said generator is varied by a periodic signal for the whitening of the spectral response 4) Supply device for high frequency discharge lamps by suitable resonant coupling comprising: - A high frequency alternating voltage generator (G). - Des moyens d'adaptation de la dite tension alternative de haute fréquence à une charge constituée d'une lampe à décharge (L) par l'intermédiaire d'un circuit résonant d'adaptation (A) équipé d'un coupleur (C) caractérisé en ce que un élément de couplage (Ec) situé à proximité d'une zone de la dite charge située entre les points d'application de la dite tension alternative, fournit une tension de référence d'un potentiel compris entre les valeurs extrêmes de la dite tension alternative pour référencer ladite zone à la tension dite de référence.- Means for adapting said high-frequency alternating voltage to a load consisting of a discharge lamp (L) by means of a resonant adaptation circuit (A) equipped with a coupler (C) characterized in that a coupling element (Ec) situated near a zone of the said load situated between the points of application of the said alternating voltage, supplies a reference voltage of a potential comprised between the extreme values of said alternating voltage for referencing said zone to said reference voltage. 5 ) Un dispositif d'alimentation selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit élément de couplage est un plan de masse.5) A supply device according to claim 4 characterized in that said coupling element is a ground plane. 6 ) Un dispositif d'alimentation pour des lampes à décharge selon la revendications 4 caractérisé en ce que ledit élément de couplage est un treillis métallique.6) A supply device for discharge lamps according to claim 4 characterized in that said coupling element is a wire mesh. 7 ) Un dispositif d'alimentation pour des lampes à décharge selon les revendications 4 et 5 dans lequel ledit élément de couplage est une électrode.7) A supply device for discharge lamps according to claims 4 and 5 wherein said coupling element is an electrode. 8 ) Dispositif d'alimentation pour des lampes à décharge selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 caractérisé en ce que ledit générateur de tension alternative est un générateur de tension alternative à fréquence variable. 8) A supply device for discharge lamps according to any one of claims 4 to 7 characterized in that said alternating voltage generator is an alternating voltage generator at variable frequency. 9 ) Dispositif d'alimentation pour des lampes à décharge selon la revendication 8 dans lequel la variation de fréquence est commandée par un signal périodique.9) A supply device for discharge lamps according to claim 8 wherein the frequency variation is controlled by a periodic signal. 10) Dispositif d'alimentation pour des lampes à décharge selon l'une quelconque des revendications 4 à 9 dans lequel la génération de fréquence est synchronisée par asservissement à un autre dispositif interne ou externe au dispositif ou à tout signal utile. 10) Power device for discharge lamps according to any one of claims 4 to 9 wherein the frequency generation is synchronized by slaving to another device internal or external to the device or to any useful signal.
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PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 17, no. 398 (E - 1403) 26 July 1993 (1993-07-26) *

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