FR2804572A1 - Dispositif generateur a moyenne frequence pour alimenter une lampe a decharge - Google Patents

Abstract

Dispositif générateur à moyenne fréquence (4) pour alimenter une lampe à décharge à partir d'une source de tension continue (US, MA), ce dispositif générateur (4) comprenant un module oscillateur à moyenne fréquence (OS4 ) pour délivrer une tension alternative aux bornes de la lampe à décharge, un module d'amorçage (AM) pour générer une impulsion de haute tension aux bornes de la lampe à décharge, et un module de pilotage (DR2). Il comprend en outre une structure mécanique de support, par exemple sensiblement en forme de U (40) pour recevoir sous la forme de cartes le module oscillateur (OS4 ), le module d'amorçage (AM) et le module de pilotage (DR2), dans laquelle le module d'amorçage (AM) est situé dans un premier plan distinct du plan du module oscillateur (OS4 ) et sont agencés pour être couplés de manière amovible au module oscillateur (OS4 ) Utilisation dans les réseaux d'éclairage.

Description

" Dispositif générateur à moyenne fréquence pour alimenter une lampe à décharge" DESCRIPTION La présente invention concerne un dispositif générateur à moyenne fréquence pour alimenter une lampe à décharge.

Les dépenses en énergie électrique consommée pour l'éclairage public représentent une part suffisamment importante des budgets des collectivités locales pour inciter les gestionnaires de ces réseaux à chercher des solutions techniques d'économie d'énergie dans ce domaine.

Dans cet objectif, le document W09844764 divulgue un procédé et un système d'alimentation électrique d'un ensemble de lampes à décharge d'un réseau d'éclairage qui met en oeuvre une liaison à courant continu entre une unité centrale raccordée à un réseau d'énergie électrique et un ensemble de lampes à décharge équipées chacune d'un dispositif générateur prévu pour alimenter une lampe à décharge avec une tension à fréquence hypersonore.

Un système S d'alimentation électrique de ce type, comprend, en référence à la figure 1, une unité centrale UC disposée en aval d'un équipement DE d'alimentation d'un réseau d'éclairage comportant un ensemble de lampadaires LP, LP1, LP2 équipés chacun d'une lampe à décharge L, Ll, L2 alimentée par un générateur moyenne fréquence G, G1, G2. Ce réseau d'éclairage est relié à l'équipement d'alimentation par un câble d'alimentation contenant d'une part un conducteur de neutre et un conducteur de phase prévus pour l'alimentation électrique de mobiliers urbains MU, et d'autre part deux conducteurs constituant une liaison LC à courant continu entre la sortie de l'unité centrale UC et les entrées respectives des générateurs moyenne fréquence G, G1, G2. L'équipement d'alimentation DE est pourvu d'une unité de commande CM recevant les ordres et consignes de commande du réseau d'éclairage, tandis que l'unité centrale UC est pourvue d'une unité de contrôle pour gérer le réglage de la puissance d'alimentation par diming. L'unité centrale UC convertit ainsi le réseau alternatif RA en un réseau d'alimentation à courant continu RC dont le niveau de puissance choisi est fonction de l'éclairage désiré.

Chaque générateur G transforme la tension continue délivrée par l'unité centrale UC en un signal périodique de fréquence d'environ 25 kHz. Il autorise l'allumage en douceur de la lampe à décharge L lors de la mise sous tension en injectant la puissance minimum requise. I1 améliore le rendement du flux lumineux en assurant la stabilité thermique de l'arc.

Ce type de générateur comprend classiquement, comme le divulgue le document W09844764 précité, un circuit oscillateur comportant deux transistors de puissance commandés en mode push-pull , un circuit d'amorçage permettant de générer lors de la mise en marche d'une lampe une impulsion de haute tension aux bornes de cette lampe, et un circuit de pilotage ou driver générant les signaux de commande des deux transistors de puissance.

Or, dans l'application spécifique que représente l'installation de tels dispositifs générateurs dans des lampadaires d'éclairage public, il existe des contraintes sévères en matière d'encombrement puisqu'il est en pratique nécessaire de concevoir un générateur pouvant être logé dans l'espace habituellement réservé au ballast des dispositifs conventionnels d'amorçage des lampes à décharge. Or, les structures actuelles de dispositifs générateurs à moyenne fréquence sont difficilement compatibles avec ces contraintes dimensionnelles.

Par ailleurs, il existe des gammes spécifiques de puissance pour des lampes à décharge utilisées dans les réseaux d'éclairage public, et pour chacune de ces gammes de puissance, il est nécessaire de concevoir un circuit de conversion de puissance approprié avec des composants de puissance adaptés aux différentes puissances nominales. Or, les structures intégrées de circuit de conversion et d'amorçage, telles que celle divulguée dans le document W09844764 précité, rendent difficiles une stratégie de conception en gammes de puissance du fait notamment de l'intégration des fonctions d'oscillation et d'amorçage.

Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif générateur à moyenne fréquence pour alimenter une lampe à décharge, qui soit de plus faible encombrement que les générateurs actuels, tout en permettant de développer à moindre coût une stratégie de gammes de puissance pour ces dispositifs générateurs.

On atteint les objectifs précités avec un dispositif générateur à moyenne fréquence pour alimenter une lampe à décharge à partir d'une source de tension continue, ce dispositif générateur comprenant - des moyens oscillateurs à moyenne fréquence pour délivrer une tension alternative aux bornes de la lampe à décharge, - des moyens d'amorçage pour générer une impulsion de haute tension aux bornes de la lampe à décharge, et - des moyens pour piloter ces moyens oscillateurs. Suivant l'invention, le dispositif générateur comprend en outre une structure mécanique de support, par exemple sensiblement en forme de U pour recevoir sous 1a forme de cartes les moyens oscillateurs, les moyens d'amorçage et les moyens de pilotage, dans laquelle les moyens d'amorçage sont situés dans un premier plan distinct du plan des moyens oscillateurs et sont agencés pour être couplés de manière amovible auxdits moyens oscillateurs.

On obtient ainsi une configuration compacte et modulaire pour un dispositif générateur destiné à être installé en substitution d'un dispositif de ballast. Par ailleurs, une même structure mécanique pourra être utilisée pour différents niveaux de puissance nominale.

En outre, les avantages apportés par la modularité sont encore accrus dans un dispositif générateur selon l'invention, dans lequel les moyens d'amorçage comprennent des moyens pour détecter l'apparition d'un échelon de tension d'entrée, des moyens pour commander, en réponse à une telle détection, des moyens capacitifs pour multiplier cette tension d'entrée en vue de générer une impulsion de haute tension. En effet, ces moyens multiplicateurs de tension comprennent un condensateur de sortie et sont agencés de sorte que la capacité de ce condensateur de sortie conditionne la puissance nominale du dispositif générateur auxquels ces moyens d'amorçage peuvent être couplés.

On peut ainsi développer une gamme complète de dispositifs générateurs à moyenne fréquence en n'utilisant une même structure de carte d'amorçage, une simple adaptation du condensateur de sortie au niveau de puissance nominale recherché étant suffisante pour permettre la mise en #uvre de cette carte d'amorçage.

Dans une forme préférée de réalisation d'un dispositif générateur selon l'invention, les moyens de pilotage sont également situés dans un second plan distinct du plan des moyens oscillateurs et sont agencés pour être couplés de manière amovible auxdits moyens de pilotage.

La carte supportant les moyens oscillateurs est fixée sur la face intérieure d'un premier côté de la structure mécanique via des moyens espaceurs, et les boîtiers de ces composants de puissance commandés sont avantageusement fixés à la face intérieure d'un second côté de la structure mécanique. Pour des niveaux de puissance élevés, on peut aussi prévoir des moyens dissipateurs thermiques s'étendant depuis la face extérieure du second côté de la structure mécanique.

Dans une forme particulière de réalisation, les moyens d'amorçage sont fixés à la face intérieure d'un troisième côté de la structure mécanique.

Par ailleurs, lorsque les moyens oscillateurs comprennent une diode de puissance en entrée, le boîtier de cette diode peut être avantageusement fixé à la face intérieure du second ou du troisième côté de la structure mécanique.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs: - la figure 1 illustre un système d'alimentation par liaison continue d'un ensemble de lampes à décharge d'un réseau d'éclairage représentatif de l'art antérieur divulgué dans le document W09844764 ; - la figure 2 est un schéma fonctionnel d'un dispositif générateur selon l'invention ; - la figure 3A représente un exemple pratique d'implantation des modules d'oscillation, de pilotage et d'amorçage au sein d'un dispositif générateur selon l'invention avec une puissance nominale de 1000W ; - la figure 3B est un schéma d'implantation des composants du module d'oscillation au sein du dispositif générateur de la figure 3A ; - la figure 3C est un schéma électrique du module d'oscillation de la figure 3B ; - la figure 4A est une vue de dessus d'un exemple pratique de réalisation d'un dispositif générateur selon l'invention avec une puissance nominale de 400W ; - la figure 4B est un schéma d'implantation des composants du module d'oscillation au sein du dispositif générateur de la figure 4A ; - la figure 4C est un schéma électrique du module d'oscillation de la figure 4B ; - la figure 4D est une vue latérale du dispositif générateur de la figure 4A ; - la figure 5A est une vue de dessus d'un exemple pratique de réalisation d'un dispositif générateur selon l'invention avec une puissance nominale dans une gamme de 150-250W ; - la figure 5B est un schéma d'implantation des composants du module d'oscillation au sein du dispositif générateur de la figure 5A ; - la figure 5C est un schéma électrique du module d'oscillation de la figure 4B ; - la figure 5D est une vue latérale du dispositif générateur de la figure 5A ; - la figure 6A est un schéma d'implantation d'un module d'oscillation au sein d'un dispositif générateur selon l'invention pour une puissance nominale comprise dans une gamme de 70-100W ; - la figure 6B est un schéma électrique du module d'oscillation de la figure 6A ; - la figure 7A est un schéma électrique d'un premier exemple de réalisation d'un module de pilotage (driver) au sein d'un dispositif générateur selon l'invention , adapté pour des puissances inférieures (150-250W); - la figure 7B est un schéma électrique d'un second exemple de réalisation d'un module de pilotage (driver) au sein d'un dispositif générateur selon l'invention, adapté pour des puissances supérieures (400-1000W) ; - la figure 8A est un schéma d'implantation d'un exemple de réalisation d'un module d'amorçage au sein d'un dispositif générateur selon l'invention ; et - la figure 8B est un schéma électrique du module d'amorçage de la figure 8B.

On va en premier lieu décrire, en référence à la figure 1, la structure fonctionnelle d'un dispositif générateur à moyenne fréquence selon l'invention. Ce dispositif générateur à moyenne fréquence G comprend - un module oscillateur OS dont l'entrée est connectée à une ligne d'alimentation continue LC transportant une tension continue réglable [US,MA] délivrée par une unité centrale distante UC, et dont la sortie [S1,S2] délivre un signal de puissance à moyenne fréquence appliqué en entrée d'une lampe à décharge L, - un module d'amorçage AM conçu pour générer, à partir d'une tension continue HT fournie par le module oscillateur OS, une impulsion de haute tension CC nécessaire pour provoquer un amorçage de la décharge au sein de la lampe L, et - un module de pilotage DR conçu pour générer les signaux de commande des transistors de puissance mis en #uvre dans le module oscillateur OS.

On va maintenant décrire, en référence aux figures 3A à 3C, un premier exemple pratique de réalisation d'un dispositif générateur selon l'invention avec une puissance nominale de 1000W.

Ce dispositif générateur 1 est logé dans une structure mécanique de tôle 10 en forme de U selon des dimensions correspondant aux dimensions normales d'un ballast utilisé conventionnellement pour des lampes à décharge de ce niveau de puissance. Le fond de la structure 10 est conçu pour recevoir une carte implémentant un module oscillateur 0S1 comportant quatre transistors de puissance TlA, TlB ; T2A, T2B fixés, via des films isolants 19 de type SIL, sur une première paroi latérale 102 de la pièce 10 sur la face extérieure de laquelle est fixé un dissipateur 19.

Une seconde paroi latérale 101 de la pièce 10 supporte dans sa face intérieure le radiateur 17 d'une diode de puissance DlD du module oscillateur 0S1 qui comporte un premier bornier 15 de connexion de câbles d'alimentation continue 152, 151 correspondant respectivement au niveau de tension continue US et à la masse MA de la liaison continue, et un second bornier 11 de connexion de câbles de sortie à moyenne fréquence 111, 112. La carte implémentant le module d'oscillation OSl comporte dans sa partie centrale un premier connecteur 18 pour recevoir une carte de pilotage DR2, et un second connecteur 16 pour recevoir une carte d'amorçage AM, ces deux cartes étant disposées dans des plans perpendiculaires au plan de la carte d'oscillation OSl.

Cette carte d'oscillation<B>OS,</B> comporte un circuit de type push-pull construit autour de deux paires de transistors TlA, T2A ; TlB, T2B montés en parallèle, une première paire de transistors TlA, T2A ayant son électrode de drain reliée à une première ligne de sortie S1 et son électrode source reliée à une première ligne de masse MA, tandis que la seconde paire de transistors en parallèle TlB, T2B a son électrode de drain reliée à une ligne de tension haute HT et son électrode de source reliée à la première ligne de sortie Sl. Chaque paire de transistors de puissance TlA, T2A ; TlB, T2B a son électrode de grille reliée respectivement à une sortie de commande GA, GB de la carte de pilotage DR2.

La carte d'oscillation<B><I>OS,</I></B> comporte un premier transformateur I comprenant une premier enroulement relié entre un point commun d'un pont capacitif C2D//C4D ; ClD//C3D et la première ligne de sortie Sl, et deux enroulements secondaires reliés, pour l'un entre la première ligne de sortie S1 et une entrée IB de la carte de pilotage DR2 et, pour l'autre, entre la première ligne de masse MA et une autre entrée IA de la carte de pilotage DR2. Elle comporte en outre un second transformateur T comprenant un premier enroulement dans la première ligne de sortie Sl et deux enroulements secondaires reliés pour l'un entre la première ligne de sortie et une entrée EB de la carte de pilotage DR2 et pour l'autre entre la première ligne de masse MA et une autre entrée EA de ladite carte de pilotage DR2.

Un troisième transformateur L est prévu pour permettre l'injection dans la seconde ligne de sortie S2 d'une impulsion de haute tension générée par la carte d'amorçage AM. La ligne de tension haute HT est reliée à l'entrée de tension continue US via la diode de puissance DlD.

Dans un mode pratique d'implantation de la carte d'oscillation représenté en figure 3B, les transformateurs T et I sont placés sur une face intérieure de la carte avec les condensateurs non polarisés C3D, C4D et la diode de puissance DlD, tandis que le transformateur L est implanté sur l'autre face de la carte.

On va maintenant décrire, en référence aux figures 4A à 4D, un second exemple de réalisation d'un dispositif générateur selon l'invention avec une puissance nominale de 400W. Le dispositif générateur 4 comporte au sein d'une structure mécanique récepteur 40 une carte d'oscillation 0S4, une carte d'amorçage AM et une carte de pilotage DR2.

Le structure mécanique 40 en forme de U est réalisée à partir de deux pièces en équerre 40a, 40b. La carte d'oscillation OS4 est fixée à la face intérieure d'un côté 41 de la structure mécanique 40 par l'intermédiaire d'espaceurs isolants 43, 48, et supporte la carte de pilotage DR2 et des dominos de connexion d'entrée DM1 pour recevoir les câbles d'alimentation continue (US,MA). La carte d'amorçage AM est fixée sur la face intérieure d'un premier côté de la seconde pièce d'équerre 40b tandis que son second côté est lié au second côté de la première pièce d'équerre 40b.

Le second côté 46 de la seconde pièce d'équerre 40b supporte des éléments dissipateurs 44 sur lesquels sont fixés, via des isolants 49 de type SIL, des transistors de puissance TlA, TlB et une diode d'entrée DlD, et des dominos DM2 de connexion de sortie prévus pour recevoir des câbles de sortie à moyenne fréquence (S1, S2). La carte d'oscillation 0S9 comporte en outre un connecteur 48 pour recevoir un câble de connexion à la carte d'amorçage AM. Le schéma d'implantation de la carte OSq (figure 4B) montre que les transformateurs L, T et I du circuit oscillateur occupent une partie significative de cette carte. Ce circuit oscillateur push-pull comporte, en référence à la figure 4C, un seul transistor TlA, TlB par étage, la structure de commande et de filtrage étant sensiblement équivalente à celle du circuit oscillateur décrit précédemment.

Dans un exemple pratique de réalisation d'un dispositif générateur adapté à des lampes à décharge d'une puissance nominale de 150 à 250 W, illustré par les figures 5A à 5D, la structure mécanique 20 est réalisée à partir de deux pièces de tôle en équerre 20a, 20b. La carte d'oscillation OS2 est fixée à la face intérieure d'un premier côté 21 de la première pièce d'équerre 20a au moyen d'espaceurs isolants 23, 28 et supporte une carte de pilotage DR1 enfichée dans un connecteur et située dans un plan perpendiculaire au plan de la carte d'oscillation OS2. Les transistors de puissance TlA, TlB de la carte d'oscillation ont leur boîtier en contact thermique via des films isolants adaptés 29 contre la face intérieure d'un second côté 26 de la seconde pièce d'équerre 20b.

Pour la réalisation d'un dispositif générateur de puissance selon l'invention pour des lampes à décharge de puissance nominale comprise entre 70W et 100W, le circuit oscillateur 0S7 peut être réalisé à partir de transistors bipolaires TIA, TlB selon une structure de type push- pull , en intégrant la fonction de pilotage et la fonction d'oscillation sur une même carte, en référence aux figures 6A et 6B. un connecteur Jl est prévu sur cette carte pour recevoir un câble de liaison avec une carte d'amorçage (non représentée).

Les modules de pilotage DR1, DR2 mis en #uvre dans les dispositifs générateurs à moyenne fréquence qui viennent d'être décrits peuvent être réalisés selon des principes et techniques connues en soi dans le domaine des moyennes fréquence, comme l'illustrent les figures 7A et 7B. Ils mettent notamment en #uvre des circuits astables pour générer des signaux de commande de grille GA, GB. Ils présentent ici la particularité d'être complètement modulaires et de pouvoir être couplés en fonction des besoins à des cartes d'oscillation de puissance.

La carte d'amorçage AM présente également, en référence aux figures 8A et 8B, une structure intrinsèquement modulaire et identique pour l'ensemble des puissances nominales considérées dans les exemples de réalisation précités, puisque seul le changement du condensateur de sortie C12C est nécessaire pour obtenir l'adaptation de cette carte d'amorçage au niveau de puissance nominale requis. Le tableau ci-après fournit les correspondances de valeur de capacité du condensateur C12C avec les niveaux de puissance nominale.

GENERATEUR <SEP> CAPACITÉ
<tb> 70, <SEP> 100 <SEP> W <SEP> 47 <SEP> nF
<tb> 150, <SEP> 250 <SEP> W <SEP> 100 <SEP> nF
<tb> 400 <SEP> W <SEP> 220 <SEP> nF
<tb> 1000 <SEP> W <SEP> 470 <SEP> nF Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, Les gammes de puissance citées ne sont pas limitatives et bien d'autres puissances peuvent être envisagées. On peut également prévoir d'autres modes de réalisation des circuits d'oscillation, d'amorçage et de pilotage.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Dispositif générateur à moyenne fréquence (G, 1, 2, 4) pour alimenter une lampe à décharge (L) à partir d'une source de tension continue (US,MA), ce dispositif générateur comprenant - des moyens oscillateurs à moyenne fréquence (OS, 0S1, 0S2, 0S4, OSA) pour délivrer une tension alternative aux bornes de la lampe à décharge (L), - des moyens d'amorçage (AM) pour générer une impulsion de haute tension aux bornes de la lampe à décharge (L), et - des moyens (DRl, DR2) pour piloter ces moyens oscillateurs, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une structure mécanique de support (10, 20, 40) pour recevoir sous la forme de cartes les moyens oscillateurs (0S1, 0S2, 0S4), les moyens d'amorçage (AM) et les moyens de pilotage (DR1, DR2), dans laquelle les moyens d'amorçage (AM) sont situés dans un premier plan distinct du plan des moyens oscillateurs (0S1, 0S2, 0S4) et sont agencés pour être couplés de manière amovible auxdits moyens oscillateurs (0S1, 0S2, 0S4) .

2. Dispositif (G, 1, 2, 4) selon la revendication 1, dans lequel les moyens d'amorçage (AM) comprennent des moyens pour détecter l'apparition d'un échelon de tension d'entrée (HT,MA), des moyens (T2C) pour commander, en réponse à une telle détection, des moyens capacitifs pour multiplier cette tension d'entrée en vue de générer une impulsion de haute tension (CC), caractérisé en ce que ces moyens multiplicateurs de tension comprennent un condensateur de sortie (C12 c) et sont agencés de sorte que la capacité de ce condensateur de sortie (C12c) conditionne la puissance nominale du dispositif générateur auxquels ces moyens d'amorçage (AM) peuvent être couplés.

3. Dispositif (G, 1, 2, 4) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de pilotage (DR1, DR2) sont aussi situés dans un second plan distinct du plan des moyens oscillateurs (OS, 0S1, 0S2, 0S9) et sont agencés pour être couplés de manière amovible auxdits moyens de pilotage (DR1, DR2).

4. Dispositif (G, 1, 2, 4) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure mécanique de support est sensiblement en forme de U (10, 20, 40).

5. Dispositif (1, 2, 4) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la carte supportant les moyens oscillateurs (0S1, 0S2, 0S9) est fixée sur la face intérieure d'un premier côté (21, 41) de la structure mécanique (10, 20, 40) via des moyens espaceurs (23, 28 ; 43, 48).

6. Dispositif (1, 2, 4) selon la revendication 5, dans lequel les moyens oscillateurs (0S1, 0S2, 0S9) comprennent des composants de puissance commandés (TlA, T2A, TlB, T2B), caractérisé en ce que les boîtiers de ces composants de puissance commandés sont fixés à la face intérieure d'un second côté (102, 27, 46) de la structure mécanique (10, 20, 40).

7. Dispositif (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens dissipateurs thermiques (14) s'étendant depuis la face extérieure du second côté (102) de la structure mécanique (10).

8. Dispositif (4) selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les moyens d'amorçage (AM) sont fixés à la face intérieure d'un troisième côté (45) de la structure mécanique (40).

9. Dispositif (l, 4) selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel les moyens oscillateurs (0S1, 0S4) comprennent une diode de puissance en entrée (DlD), caractérisé en ce que le boîtier de cette diode (D1 D) est fixé à la face intérieure du second ou troisième côté (101, 46) de la structure mécanique (10, 40).

10. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que la structure mécanique en forme de U (10) est réalisée par pliage d'une tôle.

11. Dispositif (2, 4) selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que la structure mécanique en forme de U (20, 40) est réalisée par assemblage de deux pièces de tôle en équerre (20a, 20b ; 40a, 40b).