FR2926183A1 - Luminaire operating method for e.g. fluorescent tube, involves distributing energy to terminals of tubes in form of current pulse burst/serial current pulse, without passing pulse via inductive/capacitive elements, when tubes are ionized - Google Patents
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Abstract
Description
-1- La présente invention concerne un procédé d'alimentation des lampes à décharge (dont fait partie les tubes fluorescents) éliminant les éléments inductifs et capacitifs du circuit électrique à certains stades de fonctionnement afin d'atteindre des régimes fonctionnels particuliers desdites lampes améliorant leurs performances. The present invention relates to a method for supplying discharge lamps (of which fluorescent tubes are part) eliminating the inductive and capacitive elements of the electrical circuit at certain stages of operation in order to achieve particular functional regimes of said lamps improving their performance. performance.
Les lampes à décharges sont composées d'une enveloppe transparente contenant une matière à l'état gazeux susceptible d'être conductrice d'électrons dans certaines conditions par effet d'ionisation et dans l'état ainsi obtenu, d'émettre un rayonnement lumineux. Les lampes à décharge comportent des électrodes dotées ou non de filaments assurant l'émission des électrons lorsqu'ils sont soumis à un courant électrique. Sont qualifiée de lampes à décharges, entres autres types, les lampes fluorescentes, lampes au néon, les lampes à vapeur de sodium, les lampes à vapeur de mercure, lampes à iodure métallique...etc. The discharge lamps are composed of a transparent envelope containing a material in the gaseous state capable of being electron conducting under certain conditions by ionization effect and in the state thus obtained, to emit light radiation. Discharge lamps comprise electrodes with or without filaments ensuring the emission of electrons when they are subjected to an electric current. "Fluorescent lamps, neon lamps, sodium vapor lamps, mercury vapor lamps, metal halide lamps, etc. are termed discharge lamps, among other types.
Dans l'état de l'art actuel, les lampes à décharge (par exemple les tubes fluorescents) 15 sont alimentées par des dispositifs appelés ballast comportant au moins un composant inductif placé en série avec la lampe proprement dite. In the state of the art, discharge lamps (eg fluorescent tubes) are fed by devices called ballast having at least one inductive component placed in series with the lamp itself.
Dans le cas d'un ballast dit ferromagnétique , cet élément est une bobine de forte inductance destinée à produire la surtension générant l'allumage du tube fluorescent par une 20 rupture brusque du courant et en régime normal, de limiter le courant du secteur à un niveau acceptable pour la lampe. La rupture assurant l'allumage est réalisée par un dispositif bilame thermique appelé starter dont le rôle est de court-circuiter la lampe au travers de ses filaments pour provoquer leur échauffement par effet Joule jusqu'à atteindre une température suffisante pour provoquer l'ouverture du bilame et ainsi créer la coupure brusque du circuit 25 générant aux bornes de la bobine une surtension instantanée (V = -Ldi/dt) suffisante pour produire une conduction d'électrons au travers du gaz à vapeur de mercure remplissant la lampe à décharge. Après conduction, l'impédance de la lampe chutant, le courant traversant le milieu ionisé est limité par l'impédance Z = Lw de la bobine d'inductance L au régime alternatif basse fréquence du secteur (50 ou 60 Hz). 30 Dans le cas d'un ballast dit électronique , la fonction d'allumage du tube fluorescent utilise généralement l'effet résonant d'un circuit série LC constitué d'une bobine et d'une capacité, pour créer la surtension produisant la conduction. Une fonction supplémentaire assure éventuellement le passage d'un courant temporairement plus élevé au travers des filaments 35 pour provoquer leur échauffement dans le but de faciliter l'allumage et améliorer la durabilité de la lampe. Le ballast électronique assure la mise en forme de la tension du secteur pour permettre sa distribution aux bornes des électrodes de la lampe à décharge. La forme du courant traversant la lampe à décharge est une fréquence alternative de l'ordre de quelques 40 dizaines de millier d'Hertz dont la forme se rapproche d'une sinusoïde. De plus, les ballasts électroniques fonctionnent généralement en simple alternance, c'est-à- dire que le courant ayant traversé la lampe à décharge est accumulé dans une capacité pour être ensuite renvoyé dans le sens inverse par une mise à la masse du circuit. Une bobine de faible impédance, incluse dans le circuit assure l'amortissement des surintensités générés par la capacité ainsi que la 45 limitation du courant à la fréquence de fonctionnement prévue. In the case of a so-called ferromagnetic ballast, this element is a coil of high inductance intended to produce the overvoltage generating the ignition of the fluorescent tube by a sudden rupture of the current and under normal conditions, to limit the current of the sector to a acceptable level for the lamp. The rupture ensuring ignition is achieved by a thermal bimetallic device called choke whose role is to bypass the lamp through its filaments to cause their heating Joule effect to reach a temperature sufficient to cause the opening of the bimetal and thus create the abrupt cutoff of the circuit 25 generating at the terminals of the coil an instantaneous overvoltage (V = -Ldi / dt) sufficient to produce an electron conduction through the mercury vapor gas filling the discharge lamp. After conduction, the impedance of the lamp falling, the current flowing through the ionized medium is limited by the impedance Z = Lw of the inductor L to the AC low frequency regime of the sector (50 or 60 Hz). In the case of so-called electronic ballast, the ignition function of the fluorescent tube generally uses the resonant effect of an LC series circuit consisting of a coil and capacitance, to create the surge producing the conduction. An additional function optionally provides for the passage of a temporarily higher current through the filaments to cause them to heat up in order to facilitate ignition and improve the durability of the lamp. The electronic ballast ensures the shaping of the mains voltage to allow its distribution across the electrodes of the discharge lamp. The shape of the current flowing through the discharge lamp is an alternating frequency of the order of some tens of thousands of Hertz whose shape is close to a sinusoid. In addition, the electronic ballasts generally operate in a simple alternation, that is to say that the current having passed through the discharge lamp is accumulated in a capacity to be then returned in the opposite direction by a grounding of the circuit. A low impedance coil included in the circuit provides damping of the overcurrents generated by the capacitance as well as limiting the current to the intended operating frequency.
Enfin, afin de maintenir les électrodes à une température suffisamment élevée pour assurer l'émission des électrons, le courant traversant la lampe à décharge chemine également pour partie au travers des filaments. 50 Les performances atteintes par les ballasts ferromagnétiques et électroniques sont connues en termes de rendement énergétique, de durabilité et de nombre d'allumages. Le rendement énergétique des lampes fluorescents plafonne actuellement à une valeur maximale de l'ordre de 90 Lumens/Watt. Cette limite est essentiellement due au fait que les techniques 55 appliquées pour réaliser des ballasts empêchent d'atteindre des régimes de fonctionnement -2- Finally, in order to maintain the electrodes at a sufficiently high temperature to ensure the emission of electrons, the current flowing through the discharge lamp also travels partly through the filaments. 50 The performances achieved by ferromagnetic and electronic ballasts are known in terms of energy efficiency, durability and number of ignitions. The energy efficiency of fluorescent lamps currently peaks at a maximum value of around 90 Lumens / Watt. This limitation is mainly due to the fact that the techniques used to produce ballasts prevent the achievement of operating regimes.
particuliers de l'état plasmatique crée par le gaz ionisé. Cette limitation est principalement due à la présence de composants inductifs et capacitifs dans le circuit d'alimentation qui, en limitant la bande passante par leur caractéristique d'amortissement et de filtrage rendent inaccessibles les domaines des hautes fréquences. Entre autre conséquence, ces composants ne permettent 60 pas de faire cheminer au travers du plasma des alternances de courant de forme rectangulaire de très courte durée. particular of the plasma state created by the ionized gas. This limitation is mainly due to the presence of inductive and capacitive components in the power supply circuit which, by limiting the bandwidth by their damping and filtering characteristic, make the high frequency areas inaccessible. Among other consequences, these components do not make it possible to route through the plasma alternations of current of rectangular shape of very short duration.
La technologie actuelle des ballasts ne permet donc pas d'explorer les régimes de fonctionnement particuliers des lampes à décharges résultant d'une excitation du plasma par 65 des rythmes très rapides d'alternances d'impulsions de courant, du fait que dans les procédés existants, en aucun cas le courant issu d'une source d'alimentation ne peut être appliqué directement aux bornes de la lampe à décharge lorsqu'elle est à l'état ionisé. The current ballast technology therefore does not make it possible to explore the particular operating regimes of discharge lamps resulting from plasma excitation by very fast rates of alternating current pulses, because in existing processes in no case may the current from a power source be applied directly to the terminals of the discharge lamp when it is in the ionized state.
Le procédé objet de la présente invention assure la distribution directe du courant délivré 70 par une source d'alimentation en tension continue, au travers du plasma conducteur sous la forme d'alternances successives d'impulsions. L'absence dans le cheminement du courant, de composants inductifs ou capacitifs, évite l'altération de la forme du courant ainsi que l'établissement d'un déphasage entre la tension et le courant. The method which is the subject of the present invention ensures the direct distribution of the current delivered 70 by a DC voltage supply source, through the conductive plasma in the form of successive alternations of pulses. The absence in the path of the current, inductive or capacitive components, avoids the alteration of the shape of the current and the establishment of a phase shift between the voltage and the current.
75 II est admis que le gaz constituant le média de la lampe à décharge atteint un état plasmatique lorsqu'il est ionisé, c'est-à-dire conducteur d'électrons. Cet état particulièrement réactif possède une grande perméabilité aux électrons grâce à sa faible résistance interne. Une fois ionisée, la lampe à décharge se comporte comme une résistance pure de faible valeur qui ne produit aucune distorsion significative du courant la traversant. 80 Le fonctionnement du dispositif électronique appliquant le procédé objet de l'invention est géré par un microcontrôleur exécutant un logiciel préprogrammé. Entre autre fonctionnalité, ce logiciel régule l'énergie consommée par la lampe en modulant le rythme et la largeur des impulsions en fonction de la valeur du courant traversant la lampe. Pour mesurer ce courant, le 85 dispositif électronique comprend un capteur de courant dont l'information est transmise au microcontrôleur. It is admitted that the gas constituting the medium of the discharge lamp reaches a plasma state when it is ionized, that is to say electron-conducting. This particularly reactive state has a high electron permeability due to its low internal resistance. Once ionized, the discharge lamp behaves like a pure low value resistor that produces no significant distortion of the current flowing through it. The operation of the electronic device applying the method which is the subject of the invention is managed by a microcontroller running a preprogrammed software. Among other functions, this software regulates the energy consumed by the lamp by modulating the rhythm and width of the pulses according to the value of the current flowing through the lamp. To measure this current, the electronic device comprises a current sensor whose information is transmitted to the microcontroller.
Il doit être compris que le procédé s'applique à tout type de lampe à décharge alimentée par une source électrique alternative ou continue, dont entre autre type les tubes fluorescents. It should be understood that the method is applicable to any type of discharge lamp powered by an AC or DC electrical source, including among other types fluorescent tubes.
Le principe général du procédé consiste à générer aux bornes de la lampes à décharge, une fois que le média gazeux la constituant est ionisé, un courant composé d'impulsions successives de polarité alternée ; ces impulsions étant caractérisées par les propriétés suivantes : The general principle of the method consists in generating, at the terminals of the discharge lamps, once the gaseous media constituent is ionized, a current composed of successive pulses of alternating polarity; these pulses being characterized by the following properties:
- Est appelé "impulsion" un signal dont la forme rectangulaire se compose de deux états caractérisés par un niveau inactif (appelé niveau bas) et un niveau actif (appelé niveau haut) tel que la durée du niveau haut est inférieure à la durée du niveau bas. - A "pulse" is a signal whose rectangular shape consists of two states characterized by an inactive level (called low level) and an active level (called high level) such that the duration of the high level is less than the duration of the level. low.
100 - La polarité des impulsions est alternative, c'est-à-dire qu'une impulsion de polarité donnée est suivie d'une impulsion de polarité inverse. The polarity of the pulses is alternative, ie a given polarity pulse is followed by a reverse polarity pulse.
- Les séquences d'impulsions peuvent être périodiques pendant une certaine durée ou continuellement, non périodiques pendant une certaine durée ou continuellement, ou un 105 panachage des modes précédents. The pulse sequences may be periodic for a certain duration or continuously, non-periodic for a certain duration or continuously, or a mixture of the preceding modes.
- Les séquences d'impulsions peuvent comporter des temps pendant lesquels aucune impulsion n'est générée (appelés temps morts), ces temps de durée quelconque intervenant de façon fixe ou variable, récurrente ou épisodique dans le déroulement des séquences 110 d'impulsions. 90 95 -3 - Les impulsions peuvent être générées en séquences successives (appelées trains d'impulsions ) entrecoupées de temps morts pendant lesquels aucune impulsion n'est générée. Ces trains consistent en des séries d'impulsions successives dont le nombre est 115 quelconque, émises de façon répétitive ou épisodique. The pulse sequences may comprise times during which no pulse is generated (called dead times), these times of any duration occurring in a fixed or variable, recurrent or episodic manner in the sequence of the pulse sequences. 90 95 -3 - The pulses can be generated in successive sequences (called pulse trains) interspersed with dead times during which no pulse is generated. These trains consist of series of successive pulses, the number of which is 115 whatever, emitted in a repetitive or episodic manner.
Les impulsions sont générées par un dispositif électronique contrôlé par un microcontrôleur dont le programme asservit la forme et la récurrence des impulsions à la puissance absorbée par le tube fluorescent, cette puissance étant déduite de l'acquisition du 120 courant traversant le tube fluorescent ou de la tension à ses bornes. The pulses are generated by an electronic device controlled by a microcontroller whose program slaves the shape and the recurrence of the pulses to the power absorbed by the fluorescent tube, this power being deduced from the acquisition of the current flowing through the fluorescent tube or the voltage at its terminals.
La largeur (durée de l'état haut) ainsi que la récurrence des impulsions (durée et répétition des variations d'états hauts et bas) peuvent être contrôlées par un dispositif modulateur de largeur d'impulsions (appelé communément "PWM") inclus dans les fonctionnalités du 125 microcontrôleur ou réalisé par un circuit électronique indépendant piloté par le microcontrôleur. Ce dispositif "PWM" assure la génération d'impulsions parfaitement alternatives soit en générant de façon indépendante les deux alternances, soit en recopiant la première impulsion pour générer automatiquement une impulsion de polarité inverse dont la forme est exactement identique. Cette fonctionnalité peut être réalisée par un circuit intégré logique rapide 130 compteur/décompteur implanté dans le dispositif électronique de telle façon qu'il compte la durée de l'impulsion pilotant l'interface de première polarité et ensuite décompte au même rythme la valeur acquise pour produire une image fidèle pilotant l'interface de polarité opposée. The width (duration of the high state) as well as the recurrence of the pulses (duration and repetition of the high and low state variations) can be controlled by a pulse width modulator device (commonly called "PWM") included in the functionalities of the microcontroller 125 or realized by an independent electronic circuit controlled by the microcontroller. This "PWM" device ensures the generation of perfectly alternative pulses either by independently generating the two alternations, or by copying the first pulse to automatically generate a reverse polarity pulse whose shape is exactly the same. This functionality can be realized by a fast logic integrated circuit 130 up / down counter implanted in the electronic device so that it counts the duration of the pulse driving the interface of first polarity and then counts at the same rate the value acquired for produce a faithful image controlling the interface of opposite polarity.
Le circuit électronique alimentant en impulsions de courant la lampe à décharge se 135 compose de deux circuits commutateurs/drivers commandant des transistors de puissance à très faible résistance passante (par exemple de type MOSFET) de façon à constituer un pont en H dont la charge est composée uniquement du tube fluorescent, lorsque ce dernier a atteint un état de conduction stable. The electronic circuit supplying current pulses to the discharge lamp consists of two switch / driver circuits controlling power transistors with very low through-resistance (for example of the MOSFET type) so as to constitute an H bridge whose load is composed only of the fluorescent tube, when the latter has reached a stable conduction state.
140 II doit être compris que lorsque la lampe est ionisée, c'est-à-dire conductrice d'électrons, il se forme un état plasmatique de la matière remplissant la lampe qui est entretenu par le flux d'électrons le traversant. L'impédance de ce plasma s'apparente à une résistance pure dont la valeur fluctue en fonction de paramètres tels que la température ou l'état d'ionisation de la matière. Néanmoins, en étant résistive de façon prépondérante, cette impédance n'affecte que 145 très faiblement la forme rectangulaire du courant le traversant. It should be understood that when the lamp is ionized, i.e. electrically conductive, a plasma state of the lamp filling material is formed which is maintained by the flow of electrons passing therethrough. The impedance of this plasma is similar to a pure resistance whose value fluctuates according to parameters such as the temperature or the ionization state of the material. Nevertheless, by being predominantly resistive, this impedance only very slightly affects the rectangular shape of the current flowing through it.
Le fait d'alimenter directement la lampe par un dispositif de commutation structuré en pont en H permet de contrôler parfaitement les alternances positives et négatives ainsi que les temps morts entres les impulsions. La Figure 2 présente de façon schématique quelques formes non exhaustives de courants (i=f(t)) traversant le plasma selon le procédé objet de la présente invention. Directly supplying the lamp via an H-bridge structured switching device makes it possible to perfectly control the positive and negative half-waves as well as the dead times between the pulses. Figure 2 shows schematically some non-exhaustive forms of currents (i = f (t)) passing through the plasma according to the method object of the present invention.
La Figure 1 décrit la structure du montage électronique mettant en oeuvre le procédé objet 155 de la présente invention pour alimenter une lampe à décharge de type tube fluorescent doté de cathodes à filaments, à titre d'exemple. Le tableau suivant explicite les repères utilisés dans le schéma : Rep. Désignation Fonctionnalité A Convertisseur/Régulateur DC Génère une source d'alimentation continue (+VDC/OV) constante ou variable à partir de la source d'entrée (alternative ou continue). +VDC est de l'ordre de 50 à 150 V selon les applications. Le Convertisseur/Réulateur peut 150 également comporter une fonction de correcteur de facteur de puissance et d'harmoniques dans le cas du raccordement au secteur. B Bobine Partie inductive du circuit résonant assurant l'ionisation de la lampe à décharge, activée uniquement pendant la phase d'allumage. C Capacité Partie capacitive du circuit résonant assurant l'ionisation de la lampe à décharge, activée uniquement pendant la phase d'allumage. D Dispositif shunt de la bobine Dispositif activant et désactivant la partie inductive du circuit résonant sur commande (dispositif électromécanique ou électronique). E Dispositif de connexion de la Dispositif électromécanique ou électronique capacité assurant I activation et la désactivation de la partie capacitive du circuit résonant. F-G Commutateur-driver Dispositif interface assurant le pilotage des transistors MOSFET de puissance (H,I,J,K) constituant le pont en H. H-I Transistors Transistors de commutation de puissance à J K très faible résistance passante (MOSFET ou IGBT) constituant le pont en H. L Capteur de puissance Fournit une grandeur numérique image de la puissance instantanée (courant et/ou tension) absorbée par la lampe à décharge. M Unité de Contrôle/Commande -Assure le pilotage des commutateurs/drivers (F-G) par des signaux impulsionnels (S1 ,S2) asservis à la grandeur fournie par (L). - Assure le pilotage du circuit résonant (B-C) produisant l'ionisation de la lampe à décharge. - Pilote les dispositifs interrupteurs (D-E-N). - Gère le fonctionnement selon le procédé objet de l'invention. Figure 1 depicts the structure of the electronic circuitry embodying the object method 155 of the present invention for powering a fluorescent tube type discharge lamp with filament cathodes as an example. The following table explains the markers used in the schema: Rep. Designation Functionality A DC Converter / Controller Generates a constant or variable DC power source (+ VDC / OV) from the input source (AC or DC). + VDC is of the order of 50 to 150 V depending on the applications. The inverter / converter may also include a power factor corrector and harmonic function in the case of mains connection. B Coil Inductive part of the resonant circuit ensuring the ionization of the discharge lamp, activated only during the ignition phase. C Capacity Capacitive part of the resonant circuit ensuring the ionization of the discharge lamp, activated only during the ignition phase. D Coil shunt device Device activating and deactivating the inductive part of the resonant circuit on command (electromechanical or electronic device). E Connection device of the electromechanical device or electronic capacity ensuring activation and deactivation of the capacitive part of the resonant circuit. FG Switch-driver Interface device controlling the MOSFET power transistors (H, I, J, K) constituting the H bridge. HI Transistors Power switching transistors with JK very low through-resistance (MOSFET or IGBT) constituting the bridge in H. L Power sensor Provides a numeric quantity image of the instantaneous power (current and / or voltage) absorbed by the discharge lamp. M Control / Command Unit -Assumes control of the switches / drivers (F-G) by pulse signals (S1, S2) slaved to the magnitude provided by (L). - Provides control of the resonant circuit (B-C) producing the ionization of the discharge lamp. - Pilot switch devices (D-E-N). Manages the operation according to the method which is the subject of the invention.
unite de Controle/Commande (M) integre un microcontrôleur exécutant un programme prédéterminé et/ou évolutif. Assure le raccordement en série des filaments (f) et (f') de la lampe à décharge. - L'unité de Contrôle/Commande (M) pilote le processus par un microcontrôleur exécutant le programme d'application du procédé objet de la présente invention. Control / Command unit (M) integrates a microcontroller executing a predetermined and / or evolutive program. Provides the series connection of the filaments (f) and (f ') of the discharge lamp. The control / command unit (M) controls the process by a microcontroller executing the application program of the method that is the subject of the present invention.
- L'étage (A) convertit la source d'alimentation en basse tension continue (+VDC/0V) 165 régulée ou non selon la source et pourvue ou non d'un correcteur de facteur de puissance et d'harmoniques. - The stage (A) converts the source of supply of continuous low voltage (+ VDC / 0V) 165 regulated or not according to the source and provided or not with a power factor corrector and harmonics.
- Le dispositif (L) convertit instantanément la puissance dissipée dans le circuit (T,B,C) constituant la charge du pont en H en grandeur lisible par l'unité de Contrôle/Commande (M), 170 quel que soit la polarité du courant traversant le circuit. Dispositif de connexion des filaments Filaments des cathodes de la lampe à décharge N 160 - Les dispositifs (F) et (G) assurent le pilotage synchronisé des transistors de puissance (H), (I), (J), (K) qui constituent le pont en H en fonction des signaux S1 et S2 émis par le microcontrôleur. - La lampe à décharge (T) comportant deux cathodes à filament (f) et (f') à ses extrémités est positionnée dans le circuit de charge du pont en H. - The device (L) instantly converts the power dissipated in the circuit (T, B, C) constituting the load of the H bridge in size readable by the Control / Command unit (M), 170 regardless of the polarity of the current flowing through the circuit. Filament connection device Filaments of the cathodes of the discharge lamp N 160 - The devices (F) and (G) provide synchronized control of the power transistors (H), (I), (J), (K) which constitute the H-bridge according to the signals S1 and S2 emitted by the microcontroller. - The discharge lamp (T) having two filament cathodes (f) and (f ') at its ends is positioned in the charging circuit of the H-bridge.
- Le dispositif (N) permet de connecter en série les deux filaments (f) et (f') de la lampe à 180 décharge. II est piloté par l'unité (M). The device (N) makes it possible to connect in series the two filaments (f) and (f ') of the discharge lamp. It is driven by the unit (M).
- La bobine (B) est placée en série avec la lampe à décharge (T) et la capacité (C) est placée en parallèle avec la lampe (T). - The coil (B) is placed in series with the discharge lamp (T) and the capacitance (C) is placed in parallel with the lamp (T).
185 - Le dispositif interrupteur (D) permet de court-circuiter les bornes de la bobine (B) afin de la désactivée. II est piloté par l'unité (M). 185 - The switch device (D) makes it possible to short-circuit the terminals of the coil (B) in order to deactivate it. It is driven by the unit (M).
- Le dispositif interrupteur (E) permet de connecter ou non la capacité en parallèle de la lampe (T) afin de l'activer et la désactiver. II est piloté par l'unité (M). - The switch device (E) makes it possible to connect or not the parallel capacity of the lamp (T) in order to activate and deactivate it. It is driven by the unit (M).
Description fonctionnelle du montage électronique appliquant le procédé objet de la présente invention : Functional description of the electronic assembly applying the method that is the subject of the present invention:
Dans cette description, la lampe est un tube fluorescent. In this description, the lamp is a fluorescent tube.
- A l'état initial, le circuit résonant (B + C) est désactivé (interrupteurs (D) fermé et interrupteur (E) ouvert) et les filaments des cathodes ne sont pas reliés entres eux (interrupteur (N) ouvert). - In the initial state, the resonant circuit (B + C) is deactivated (switches (D) closed and switch (E) open) and the filaments of the cathodes are not connected to each other (switch (N) open).
200 II a été établi, tant par l'étude des données fournies par les constructeurs de lampes à décharge et par l'expérience, que l'ionisation de la lampe produisant la conduction entre les électrodes et l'apparition de l'état plasmatique de la matière est facilitée par l'échauffement des filaments internes (f) et (f') reliés aux électrodes. 200 It has been established, both from the data provided by the manufacturers of discharge lamps and from experience, that the ionization of the lamp producing the conduction between the electrodes and the appearance of the plasma state of the material is facilitated by the heating of the inner filaments (f) and (f ') connected to the electrodes.
205 Cet échauffement permet en réduisant la tension produisant l'ionisation de limiter l'érosion provoquée par l'énergie d'impact des électrons et ainsi d'améliorer la durabilité des lampes. This heating makes it possible, by reducing the voltage producing the ionization, to limit the erosion caused by the impact energy of the electrons and thus to improve the durability of the lamps.
Egalement, il a été établi qu'un échauffement trop élevé des filaments engendre une évaporation ou une vaporisation de la matière d'enrobage qui accentue le vieillissement de la 210 lampe. Ce phénomène bien connu produit un assombrissement des extrémités des tubes fluorescents au fur et à mesure de leur utilisation. II est par conséquent avantageux de maîtriser au mieux le préchauffage avant ionisation. Also, it has been established that overheating of the filaments causes evaporation or vaporization of the coating material which accentuates the aging of the lamp. This well known phenomenon produces a darkening of the ends of the fluorescent tubes as and when they are used. It is therefore advantageous to control the preheating before ionization at best.
Néanmoins, ce préchauffage n'est pas indispensable pour produire l'ionisation. Cette 215 dernière peut tout à fait être provoquée par une différence de potentiel plus élevée entre les électrodes de la lampe à décharge. Cette possibilité peut permettre d'assurer l'allumage en cas de dégradation importante ou de rupture du filament d'une ou des deux cathodes empêchant le passage d'un courant au travers. Nevertheless, this preheating is not essential to produce the ionization. This latter may be caused by a higher potential difference between the electrodes of the discharge lamp. This possibility can provide ignition in the event of significant degradation or rupture of the filament of one or both cathodes preventing the passage of a current through.
220 Dans la description suivante, l'ionisation est considérée selon deux processus commandés par l'unité (M), discriminés en fonction de l'information délivrée par le dispositif (L) captant la puissance dans le circuit de charge du pont en H. In the following description, the ionization is considered according to two processes controlled by the unit (M), discriminated as a function of the information delivered by the device (L) sensing the power in the charging circuit of the H-bridge.
Phase 1 : Ionisation avec préchauffage des filaments 175 190 195 225 -6-Une puissance est mesurée lorsque les filaments des cathodes (f) et (f'), raccordés en série par la fermeture de l'interrupteur (N), constituent la charge du pont en H. Dans le cas où aucune puissance n'est mesurée (suite par exemple à la dégradation d'un filament), la Phase 2 est directement engagée. 230 L'information de puissance transmise par le dispositif (L) est utilisée par l'unité de Contrôle/Commande (M) pour contrôler l'échauffement des filaments en agissant sur la fréquence du signal alternatif (S1 ,S2) et la variation du courant dans le circuit peut être utilisée pour déterminer la fin de la séquence de préchauffage. II est en effet admis que l'impédance 235 des filaments varie de façon significative en fonction de leur température. Phase 1: Ionisation with preheating of the filaments 175 190 195 225 -6-A power is measured when the filaments of the cathodes (f) and (f '), connected in series by the closing of the switch (N), constitute the charge In the case where no power is measured (following for example the degradation of a filament), Phase 2 is directly engaged. 230 The power information transmitted by the device (L) is used by the control / command unit (M) to control the heating of the filaments by acting on the frequency of the alternating signal (S1, S2) and the variation of the current in the circuit can be used to determine the end of the preheating sequence. It is in fact admitted that the impedance 235 of the filaments varies significantly as a function of their temperature.
a) L'unité (M) commande la mise en série des filaments (f) et (f') de la lampe (T) (fermeture de l'interrupteur (N)) ainsi que le raccordement de la bobine (B) utilisée dans cette phase comme limiteur de courant (interrupteur (D) ouvert). 240 b) L'unité (M) génère un signal (S1,S2) alternatif périodique de forme sensiblement carré au taux de remplissage environ '/2 (durée de l'alternance positive est sensiblement égale à la durée de l'alternance négative) dont la fréquence [Fq] génère une impédance [ZL = Lw] pour la bobine (B) telle que le courant efficace [le] traversant le circuit constitué des filaments (f 245 et f') de la lampe (T) produit leur échauffement par effet Joule à la température optimale prescrite par le fabricant de la lampe (T). Généralement, la température atteinte doit être au minimum de 700°C. Cette élévation de température des filaments se traduit également par une augmentation de leur résistance par rapport à la résistance à température ambiante. Il a été établi que le ratio des résistances à ces deux températures (Rh/Rc ; Rh étant la résistance au 250 moment de l'ionisation et Rc la résistance à température ambiante de 25°C) doit être supérieur à 4,25 pour faciliter l'ionisation tout en modérant le stress des électrodes. a) The unit (M) controls the filaments (f) and (f ') of the lamp (T) in series (closing of the switch (N)) and the connection of the coil (B) used in this phase as a current limiter (switch (D) open). B) The unit (M) generates a periodic alternating signal (S1, S2) of substantially square shape at a filling ratio of approximately '/ 2 (duration of the positive half cycle is substantially equal to the duration of the negative half cycle) whose frequency [Fq] generates an impedance [ZL = Lw] for the coil (B) such that the effective current [1] passing through the circuit consisting of the filaments (f 245 and f ') of the lamp (T) produces their heating by Joule effect at the optimum temperature prescribed by the lamp manufacturer (T). Generally, the temperature reached must be at least 700 ° C. This rise in temperature of the filaments also results in an increase in their resistance with respect to the resistance at ambient temperature. It has been established that the ratio of the resistances at these two temperatures (Rh / Rc, Rh being the resistance at the moment of ionization and Rc the resistance at ambient temperature of 25 ° C.) must be greater than 4.25 to facilitate ionization while moderating the stress of the electrodes.
c) Après le temps nécessaire pour que la température minimale nécessaire des filaments soit atteinte (généralement une durée de 0,5 sec avec un courant efficace traversant 255 les filaments de 4 à 20 mA selon leur nature), le circuit mettant en série les filaments est déconnecté par l'ouverture de l'interrupteur (N) et la séquence suivante produisant l'ionisation est immédiatement engagée. c) After the time required for the minimum required filament temperature to be reached (generally a duration of 0.5 sec with an effective current passing through the filaments of 4 to 20 mA depending on their nature), the circuit putting in series the filaments is disconnected by opening the switch (N) and the next sequence producing the ionization is immediately engaged.
Phase 2 : Allumage = Ionisation de la lampe (T) et production de l'état plasmatique. Il est à noter que cette Phase 2 est directement engagée si l'option de préchauffage est inopérante. Phase 2: Ignition = lamp ionization (T) and production of the plasma state. It should be noted that this Phase 2 is directly engaged if the preheating option is inoperative.
L'interrupteur (D) est ouvert et l'interrupteur (E) est fermé de façon à activer le circuit 265 résonant (B-C) et placer la capacité (C) aux bornes de la lampe (T). Dans cette configuration, la tension aux bornes des électrodes de la lampe (T) est celle produite aux bornes de la capacité (C). Cette tension est susceptible d'être augmentée par l'approche contrôlée (par le programme de l'unité (M)) de la fréquence de résonance (Fr) du circuit (B-C) caractérisée par la formule : Fr = 1 /(2'TrVLC) ; L étant l'inductance de la bobine (B) et C la capacité du condensateur (C)). Par 270 exemple, une bobine d'inductance 2,2 mH associée à une capacité de 4,7 nF forment un circuit dont la fréquence de résonance typique (Fr) d'environ 49,5 KHz. A son approche, la tension générée aux bornes de la capacité atteindra une valeur de quelques centaines de volts suffisante pour produire la conduction et générer l'état plasmatique du gaz contenu dans la lampe (T). 275 Tant qu'elle n'est pas ionisée, la résistance interne de la lampe (T) est très élevée. Cette résistance chute de façon importante pour atteindre une valeur de l'ordre de 500 Ohm, dès que la conduction est établie. Cette modification d'impédance produit une variation significative de l'information transmise par le dispositif capteur (L). L'unité (M) recherche la conduction de la 280 lampe (T) par la variation par paliers successifs de la fréquence du signal alternatif (S1 ,S2) 260 -7- The switch (D) is open and the switch (E) is closed so as to activate the resonant circuit 265 (B-C) and place the capacitance (C) across the lamp (T). In this configuration, the voltage across the electrodes of the lamp (T) is that produced across the capacitance (C). This voltage is likely to be increased by the controlled approach (by the program of the unit (M)) of the resonance frequency (Fr) of the circuit (BC) characterized by the formula: Fr = 1 / (2 ' TrVLC); Where L is the inductance of the coil (B) and C is the capacitance of the capacitor (C). For example, a 2.2 mH inductance coil associated with a 4.7 nF capacitor form a circuit having a typical resonance frequency (Fr) of about 49.5 KHz. At its approach, the voltage generated across the capacitor will reach a value of a few hundred volts sufficient to produce the conduction and generate the plasma state of the gas contained in the lamp (T). 275 As long as it is not ionized, the internal resistance of the lamp (T) is very high. This resistance drops significantly to reach a value of the order of 500 Ohm, as soon as the conduction is established. This impedance modification produces a significant variation in the information transmitted by the sensor device (L). The unit (M) searches for the conduction of the lamp (T) by the successive stepwise variation of the frequency of the alternating signal (S1, S2).
alimentant le circuit résonant (B-C). Les paliers se succèdent rapidement de façon à parcourir la plage de fréquence susceptible de provoquer l'allumage en un temps bref, de l'ordre de 0,5 sec. supplying the resonant circuit (B-C). The bearings follow one another quickly so as to cover the frequency range likely to cause ignition in a short time, of the order of 0.5 sec.
La tension aux bornes de la capacité (C) et donc de la lampe (T) augmente au fur et à 285 mesure de l'approche de la résonance. Lorsqu'elle est suffisante, la conduction s'établit entre les électrodes, ce qui génère l'état plasmatique de la matière et provoque la chute brutale de l'impédance de la lampe (T), donc la variation du courant dans le circuit constituant la charge du pont en H. The voltage across the capacitance (C) and hence the lamp (T) increases as the resonance approach approaches. When it is sufficient, the conduction is established between the electrodes, which generates the plasma state of the material and causes the sudden drop of the impedance of the lamp (T), therefore the variation of the current in the circuit constituting the load of the H-bridge.
290 Cette variation est détectée par l'unité (M) à partir de l'information transmise instantanément par le dispositif capteur (L). Il interrompt alors le processus de variation de la fréquence du signal (S1 ,S2). Dans le cas où aucune variation ne serait détectée dans la plage de variation de fréquence prévue, dont la borne précède nécessairement l'atteinte de la résonance [Fr], l'unité (M) abandonne le processus d'allumage. Cette disposition évite la 295 génération par le circuit résonant d'une surtension et d'une surintensité extrême, susceptibles d'endommager les composants électroniques du dispositif. This variation is detected by the unit (M) from the information transmitted instantaneously by the sensor device (L). It then interrupts the process of variation of the signal frequency (S1, S2). In the case where no variation is detected in the predicted frequency variation range, the limit of which necessarily precedes the attainment of the resonance [Fr], the unit (M) abandons the ignition process. This arrangement avoids the 295 generation by the resonant circuit of overvoltage and extreme overcurrent, likely to damage the electronic components of the device.
Dès la détection par l'unité (M) de l'allumage de la lampe, cette dernière commande la génération d'un signal (S1,S2) de fréquence éloignée de fréquence [Fr], telle que l'intensité 300 traversant la capacité est réduite au minimum tout en évitant la perte de l'ionisation dans la lampe (T). La résistance interne de la lampe ionisée étant faible (quelques centaines d'Ohm), l'impédance de la capacité croît rapidement dès l'éloignement de la fréquence de résonance [Fr] et le courant traversant la capacité est significativement réduit. As soon as the unit (M) detects that the lamp has been switched on, the latter controls the generation of a signal (S1, S2) of frequency remote from frequency [Fr], such that the intensity 300 crossing the capacitance is minimized while avoiding the loss of ionization in the lamp (T). Since the internal resistance of the ionized lamp is low (a few hundred Ohm), the impedance of the capacitance increases rapidly as soon as the resonance frequency [Fr] is removed and the current flowing through the capacitance is significantly reduced.
305 Une fois cette fréquence appliquée, l'unité (M) commande l'ouverture de l'interrupteur (E) et par conséquent la déconnexion de la capacité (C). La réduction du courant dans la capacité permet d'éviter la dégradation du dispositif interrupteur (E) lors de l'ouverture du circuit ou la formation d'un arc électrique dans le cas d'un interrupteur électromécanique (relais). De plus, la réduction du courant évite à l'instant de l'ouverture d'induire une surtension aux bornes de la 310 bobine (B) par une variation brutale du courant la traversant (V = -Ldi/dt). Once this frequency has been applied, the unit (M) controls the opening of the switch (E) and consequently the disconnection of the capacitor (C). The reduction of the current in the capacitor makes it possible to avoid the degradation of the switch device (E) during the opening of the circuit or the formation of an electric arc in the case of an electromechanical switch (relay). In addition, the current reduction prevents at the instant of opening from inducing an overvoltage across the coil (B) by a sudden change in the current flowing through it (V = -Ldi / dt).
L'étape suivante procédera à l'élimination de la bobine (B) du circuit de charge afin qu'il ne soit plus constitué que par la lampe (T) dans laquelle également aucun courant ne traverse les filaments des cathodes (interrupteur (N) ouvert). Phase 3 : Mise en configuration opérationnelle The next step will eliminate the coil (B) of the charging circuit so that it consists only of the lamp (T) in which no current flows through the cathode filaments (switch (N) open). Phase 3: Setting up the operational configuration
A la suite de l'ionisation de la lampe (T) et de la déconnexion de la capacité (C), l'unité (M) contrôle la puissance délivrée à la charge constituée par la bobine (B) et la lampe à 320 décharge (T) de telle façon que cette dernière se situe à un niveau compatible avec l'élimination de la bobine (B) tout en évitant une surintensité dans la lampe (T) lors de la disparition de l'impédance [ZL] de la bobine. As a result of the ionization of the lamp (T) and the disconnection of the capacitance (C), the unit (M) controls the power delivered to the load constituted by the coil (B) and the discharge lamp 320 (T) so that the latter is at a level compatible with the elimination of the coil (B) while avoiding an overcurrent in the lamp (T) when the impedance [ZL] of the coil disappears .
Pour cela, le signal (S1,S2) est converti de l'état de fréquence alternative homogène 325 (signaux carrés de taux de remplissage 'A) à l'état impulsionnel, c'est-à-dire composé d'une succession d'impulsions de polarité alternée entrecoupées de temps morts durant lesquels aucun courant ne traverse plus le circuit de charge. Les impulsions sont d'une durée suffisante pour obtenir le courant moyen nécessaire afin de ne pas perdre l'état ionisé de la lampe (T), tout en étant suffisamment espacées pour réduire sensiblement l'impédance [ZL]. L'objectif à ce 330 stade du processus n'est pas l'optimisation de l'énergie lumineuse produite par la lampe (T) mais l'optimisation de la condition de court-circuit de la bobine (B) tout en conservant l'état plasmatique. 315 -8- Le niveau moyen de courant dans la lampe ainsi que la conservation de l'état d'ionisation 335 sont contrôlés par l'analyse de l'information instantanée fournie par le dispositif capteur (L), selon des critères prédéfinis dans le programme d'application exécuté par l'unité (M). Lorsque les conditions sont propices, l'interrupteur (D) est fermé et l'étape suivante du processus est mise en oeuvre immédiatement. For this, the signal (S1, S2) is converted from the homogeneous alternating frequency state 325 (square fill rate signals' A) to the pulse state, that is to say composed of a succession of pulses of alternating polarity interspersed with dead times during which no current flows through the charging circuit. The pulses are of sufficient duration to obtain the average current necessary so as not to lose the ionized state of the lamp (T), while being sufficiently spaced to substantially reduce the impedance [ZL]. The objective at this stage of the process is not the optimization of the light energy produced by the lamp (T) but the optimization of the short-circuit condition of the coil (B) while retaining the plasma state. The average level of current in the lamp as well as the preservation of the ionization state 335 are controlled by the analysis of the instantaneous information supplied by the sensor device (L), according to criteria predefined in FIG. application program executed by the unit (M). When the conditions are favorable, the switch (D) is closed and the next step of the process is implemented immediately.
340 Phase 4 : Régime stabilisé 340 Phase 4: Stabilized Regime
La charge étant constituée uniquement de la lampe à décharge (T) dont la résistance est relativement faible, la puissance dissipée doit être régulée pour ne pas endommager la lampe et adapter son fonctionnement au besoin de l'application ainsi qu'aux fluctuations éventuelles 345 de la source d'alimentation (par exemple intensité lumineuse variable ou asservie à des conditions environnementales). Cette régulation est effectuée par l'unité (M) à partir de l'information délivrée par le dispositif capteur (L). As the charge consists solely of the discharge lamp (T), the resistance of which is relatively low, the dissipated power must be regulated so as not to damage the lamp and to adapt its operation to the application's needs, as well as to possible fluctuations. the power source (eg variable light intensity or slaved to environmental conditions). This regulation is performed by the unit (M) from the information delivered by the sensor device (L).
L'unité (M) asservit la forme et la récurrence des impulsions constituant le signal (S1,S2) 350 en fonction de critères définis dans son programme d'application ; critères pouvant être invariants ou eux-mêmes évolutifs en fonction de conditions gérées par le logiciel lui-même y compris par le biais de fonctionnalités d'apprentissage (principe expert, par exemple). The unit (M) slaves the shape and recurrence of the pulses constituting the signal (S1, S2) 350 according to criteria defined in its application program; criteria which can be invariant or themselves evolving according to conditions managed by the software itself including through learning functionalities (expert principle, for example).
Le signal (S1,S2) est constitué d'impulsions successives de durées variables et de 355 polarités alternatives entrecoupées de temps morts également variables. Le signal peut également consister en une succession de séquences d'impulsions, ces séquences étant entrecoupées de temps morts. L'asservissement du signal à la puissance délivrée peut agir sur chaque variable constituant le signal : durée de l'impulsion positive, durée de l'impulsion négative, durée du temps mort entre les deux alternances, durée du temps mort entre deux 360 cycles d'alternances, nombre d'impulsions constituant une série...etc. The signal (S1, S2) consists of successive pulses of variable duration and 355 alternative polarities interspersed with equally variable dead times. The signal may also consist of a succession of pulse sequences, these sequences being interspersed with dead times. The enslavement of the signal to the delivered power can act on each variable constituting the signal: duration of the positive pulse, duration of the negative pulse, duration of the dead time between the two alternations, duration of the dead time between two 360 cycles. alternations, number of pulses constituting a series ... etc.
Le procédé permet d'alimenter la lampe à décharge (T) de façon parfaitement alternative grâce à la structure du pont en H et d'atteindre des régimes de fonctionnement particuliers des lampes dans des domaines critiques et instables. La bande passante du pont en H et la 365 réactivité du média plasmatique de la lampe à décharge autorise des largeurs d'impulsion très courtes dont la forme rectangulaire génère un courant constant pendant toute la durée de l'impulsion contrairement à une forme sinusoïdale qui produit une variation continuelle du courant. The method makes it possible to feed the discharge lamp (T) in a perfectly alternative manner thanks to the structure of the H-bridge and to reach particular operating speeds of the lamps in critical and unstable areas. The bandwidth of the H-bridge and the 365-reactivity of the plasma medium of the discharge lamp allows very short pulse widths whose rectangular shape generates a constant current for the duration of the pulse unlike a sinusoidal shape which produces a continual variation of the current.
370 Le procédé objet de la présente invention permet d'atteindre des régimes oscillants multiples résultant de l'émission d'impulsions de courant alternées dont la durée et la récurrence sont variables, lesdites impulsions étant caractérisées par leur forme quasiment rectangulaire. The method according to the present invention makes it possible to achieve multiple oscillating speeds resulting from the emission of alternating current pulses whose duration and recurrence are variable, said pulses being characterized by their almost rectangular shape.
375 Les formes d'ondes complexes que permet le procédé ouvrent de nouveaux champs d'exploration de la physique des lampes à décharges dans lesquels les régimes d'alimentation par alternances rapides de courants brefs peuvent être exploités et les phénomènes qu'ils génèrent peuvent être utilisés avantageusement pour améliorer les performances d'éclairage et produire une économie d'énergie. 380 Il a été constaté expérimentalement la présence dans le média plasmatique d'un phénomène vibratoire pouvant conduire à un effet résonant en fonction de l'excitation produite par le rythme des impulsions de courant électronique le traversant. 375 The complex waveforms that the process allows open up new fields of exploration of the physics of discharge lamps in which the rapid alternating current regimes of short currents can be exploited and the phenomena they generate can be advantageously used to improve lighting performance and produce energy saving. 380 It has been found experimentally the presence in the plasma medium of a vibratory phenomenon that can lead to a resonant effect as a function of the excitation produced by the rhythm of the pulses of electronic current passing through it.
385 Une des conséquences du fonctionnement des lampes à décharge selon le procédé objet de la présente invention peut être l'augmentation significative du rendement énergétique de la lampe par rapport aux procédés existants et l'accroissement de sa durabilité. One of the consequences of the operation of the discharge lamps according to the method of the present invention may be the significant increase in the energy efficiency of the lamp compared to the existing processes and the increase of its durability.
Une autre conséquence avantageuse concerne la baisse de la température des lampes à 390 décharge pour un flux lumineux donné, par rapport aux procédés existants. Cette performance permet d'améliorer le fonctionnement des systèmes de climatisation et de générer ainsi des économies d'énergie supplémentaires, plus particulièrement dans les ambiances froides tel que les baies réfrigérée des produits frais et congelés des supermarchés. Another advantageous consequence concerns the lowering of the temperature of the 390 discharge lamps for a given luminous flux, compared to the existing processes. This performance improves the operation of air conditioning systems and thus generates additional energy savings, especially in cold environments such as refrigerated berries from fresh and frozen supermarket products.
395 D'autres avantages pourront résulter de l'application du procédé objet de la présente invention pour atteindre certains régimes fonctionnels des lampes à décharges non encore mis en évidence. Other advantages may result from the application of the method that is the subject of the present invention to achieve certain functional regimes of discharge lamps not yet highlighted.
Dans une application destinée aux tubes fluorescents, le procédé permet de réaliser un 400 nouveau ballast électronique alimentant quatre tubes fluorescents de forte puissance (typiquement 58W), destiné au retrofitting des luminaires en travées des supermarchés. Ce ballast produira une économie d'énergie importarte (de l'ordre de 50%) par rapport au luminaire existant. Cette application est en mesure d'apporter une solution pertinente et performante pour la lutte contre le réchauffement climatique par la maîtrise de la demande d'électricité tout en 405 générant une rentabilité économique à court terme. In an application for fluorescent tubes, the method makes it possible to produce a 400 new electronic ballast supplying four high-power fluorescent tubes (typically 58W), intended for retrofitting lighting fixtures into supermarket spans. This ballast will produce a significant energy saving (of the order of 50%) compared to the existing luminaire. This application is able to provide a relevant and effective solution for the fight against global warming by controlling the demand for electricity while generating 405 economic profitability in the short term.
Ces applications ou d'autres peuvent également inclure des liaisons entre les dispositifs mettant en oeuvre le procédé et des connexions à un ou plusieurs système de contrôle/commande déportés ; ces liaisons permettant l'échange de données étant de nature 410 quelconque (filaire, radio, optique...). These or other applications may also include links between the devices implementing the method and connections to one or more remote control / command systems; these links allowing the exchange of data being of any nature 410 (wired, radio, optical ...).
Les luminaires développés d'après le procédé peuvent avoir un fonctionnement autonome ou asservi à des informations environnementales qu'ils acquièrent par eux-mêmes, ou en fonction d'informations ou de données qu'ils échangent entres eux ou en communiquant avec 415 un système central par une liaison informatique filaire ou non. The luminaires developed in accordance with the method may operate autonomously or be subject to environmental information they acquire on their own, or based on information or data exchanged between them or by communicating with a system. central by a computer link wired or not.
Le procédé peut être par exemple mis en oeuvre dans des applications comportant des modes de fonctionnement asservis à des conditions environnementales tel que le niveau de l'éclairage naturel ou l'adaptation automatique à des besoins variables des utilisateurs en 420 fonction de leur présence ou de leur activité. The method may for example be implemented in applications comprising operating modes that are subject to environmental conditions such as the level of natural lighting or automatic adaptation to the varying needs of users depending on their presence or their activity.
Claims (22)
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