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DISPOSITIF D AMORCAGE ET D'ALIMENTATION POUR LAMPES A DECHARGES ELECTRIQUES
A REMPLISSAGE DE GAZ ET OU Do VALEUR 'iETALLIUE.
La présente invention est relative aux dispositifs et aux circuits d'amorçage et d'alimentation pour des lampes à décharges électriques à remplissage de gaz et/ou de vapeur métallique, et principalement aux dispositifs et circuits destinés à provoquer l'amorçage de la décharge à l'intérieur de l'enceinte de la lampe et à limiter l'intensité du courant traversant cette même enceinte, et est plus particulièrement applicable aux lampes à décharges électriques dont les électrodes sont conçues pour être chauffées par effet Joule par le passage d'un courant'électrique, au moins avant l'amorçage de la décharge.
Selon les dispositifs et circuits généralement connus, un circuit destiné à provoquer l'amorçage de la décharge à l'intérieur de l'enceinte d'une lampe à décharges électriques et qui assure, par effet Joule, le chauffage des électrodes de la lampe au moins avant l'amorçage de la décharge, comprend généralement deux parties : a) un circuit série comprenant, en série, entre les bornes terminales de la source d'énergie électrique qui alimente la lampe, et dans un ordre généralement quelconque, une ou plusieurs impédances et la lampe à décharges électriques elle-même, qui est connectée dans le circuit par une extrémité de chacune de sep électrodes;
les impédances peuvent être des résistances, des inductances ou des capacitances, ou encore une combinaison de résistances, d'inductances et/ou de capacitanceso b) un circuit parallèle dérivé,-, aux bornes de la lampe à décharges électriques, qui peut ne comprendre qu'un seul interrupteur, éventuellement automatique, ou être constitué par un ou plusieurs appareils électriques, le circuit parallèle étant relié aux extrémités des électrodes de la lampe qui ne sont pas connectées aux éléments du circuit série.
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Sont déjà connus, comme circuits parallèles assurant un chauffage initial ou pré-chauffage des électrodes de la lampe à décharges électriques avant l'amorçage de la décharge à l'intérieur de l'enceinte de la lampe : a) des interrupteurs automatiques, généralement dénommés démarreurs ou "starters ", dont une au moins des armatures est constituée par une lame bimétallique échauffée soit par une décharge électrique dans un gaz ou une vapeur métallique (démarreur à lueur ou "glow-switch"), soit par une résistance chauffante (démarreur thermique); b) des interrupteurs automatiques, dont le fonctionnement est commandé par l'échauffement d'un métal qui passe de l'état magnétique à l'état non magnétique;
c) des interrupteurs à commande magnétique, dont la durée d'enclenchement ou de déclenchement est réglée soit par un système à écoulement de fluide, soit par un système à constante thermique; etc......
Ont déjà été proposés d'autre part, comme circuits parallèles assurant le pré-chauffage des électrodes des lampes à décharges électriques : a) un transformateur dont l'enroulement primaire est connecté en dérivation aux bornes de la lampe à décharges électriques et dont deux enroulements secondaires sont connectés chacun à deux extrémités de chaque électrode de la lampe, ce transformateur chauffant en permanence les électrodes de la lampe, le courant de chauffage étant toutefois plus important avant l'amorçage de la décharge à l'intérieur de l'enceinte de la lampe qu'après; pendant le fonctionnement normal de la lampe, ce transformateur absorbe une énergie non négligeable comparativement à celle absorbée par la lampe à décharges électriques elle-même;
b) une réactance (inductance) dont le noyau magnétique est fortement saturé avant l'amorçage de la décharge, tandis qu'il ne l'est plus lorsque la décharge est établie à l'intérieur de l'enceinte de la lampe à décharges électriques; c) un condensateur (capacitance), éventuellement en série lui-même avec une réactance (inductance);
d) une combinaison d'une impédance (inductance ou capacitance ou encore une combinaison d'une inductance et d'une capacitance) en série avec un enroulement auxiliaire couplé à une réactance (inductance) du circuit série, de telle façon que, avant l'amorçage de la décharge à l'intérieur de 1?enceinte de la lampe à décharges électriques, la tension appliquée aux bornes de la lampe, c'est-à-dire entre les deux électrodes de celle-ci, soit aussi égale que possible à la tension qui apparaît aux bornes de l'impédance du circuit parallèle.
Dans le dernier cas ci-dessus mentionné, le dispositif d'amorçage pour lampes à décharges électriques est formé d'un circuit comprenant en série ; une impédance, l'enroulement principal d'une inductance et la lampe ellemême, l'enroulement secondaire ou auxiliaire de l'inductance et une seconde impédance étant,connectés aux bornes de la lampe, en parallèle avec celle-ci.
Plus particulièrement,l'impédance "série" peut être formée d'une réactance (inductance) tandis que l'impédance "parallèle" peut être formée d'un condensateur (capacitance)o Dans ce cas ; il est indispensable que ce condensateur soit en série avec une réactance (inductance) - par exemple, l'enroulement auxiliaire de l'inductance "série" - pour éviter la création dans la lampe à décharges électriques de surintensités instantanées à chaque alternance, par la décharge des condensateurs après le ré-amorçage de la lampe, qui, comme on le sait, se fait à une tension légèrement supérieure à la tension d'arco
Dans les cas où dans le circuit série existe un transformateur ou une inductance à enroulement auciliaire de compensation,
il n'est pas nécessaire que le flux dans le noyau du transformateur ou de l'inductance
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soit rigoureusement nul ; d'aprèsle circuit connu, il est même prévu que l'en- roulement auxiliaire, connecté dans le circuit parallèle, possède plus de spires que l'enroulement principal, connecté dans le circuit série, ce qui est logique; il est également connu que le condensateur "parallèle" et la réactance "série" peuvent être permutés, sans rien changer aux caractéristi- ques du transformateur ou de l'inductance à enroulement auxiliaire; ce qui est encore logique, dans ce circuit qui est applicable à n'importe quelle lampe à décharges électriques.
Dans la plupart des circuits connus où le circuit parallèle com- porte des réactances (inductances), le but poursuivi est de créer aux bornes de la lampe à décharges électriques une "surtension" capable d'amorcer;la décharge à l'intérieur de l'enceinte de la lampeo Le passage, dans les électro- des, du courant circulant dans le circuit parallèle avant l'amorçage est ré- puté préchauffer lesdites électrodes mais, en réalité, le chauffage obtenu par ce procédé, même s'il contribue à diminuer quelque peu la tension d'amor- gage, est toujours insuffisant pour que la décharge ne contribue pas elle-.. même, d'une manière sensible, à l'échauffement des électrodes lors de son amorçage;
cela est dû au fait que la tension qui apparaît aux bornes de la lampe, avant l'amorçage, est toujours trop élevée pour que la décharge ne s'amorce pas avant que les électrodes n'aient atteint une température optimum requise, pour laquelle la tension d'amorçage a une valeur minimum pour une colonne de décharge d'une longueur déterminée; l'équilibre thermique des électrodes n'est donc pas atteint lors de l'amorçage de la décharge.
Dans un circuit où le circuit série est formé d'un condensateur (capacitance) en série avec une réactance (inductance), une des conditions de bon fonctionnement de la lampe à décharges électriques est que la tension qui apparaît aux bornes de l'ensemble formé par la réactance et la lampe elle-même, quand la décharge passe à travers l'intérieur de l'enceinte de la lampe, ait une valeur efficace au moins égale à 1,7 fois la valeur de la tension d'arc de ladite lampe, afin non seulement que le réamorçage de la décharge soit assuré à chaque alternance mais aussi que la durée du passage du courant dans la lampe à chaque alternance soit une fraction très importante de la durée de l'alternance.
Il s'ensuit que les grandeurs respectives du condensateur et de la réactance ne peuvent être absolument quelconques pour une lampe déterminée et que ces grandeurs dépendant principalement de la tension appliquée aux bornes du circuit (tension d'alimentation) et de la tension d'arc de la lampe à décharges électriques.
L'intensité du courant traversant la décharge intervient aussi évidemment dans la détermination des grandeurs du condensateur et de la réactanceo
L'étude des lampes à décharges électriques, à remplissage de vapeur de mercure, connues actuellement sous la dénomination de"lampes fluorescentes à cathodes incandescentes" et consistant en des tubes droits, dont la colonne de décharge a une longueur variant de 30 à 150 centimètres pour un diamètre de 25 à 38 millimètres ; a montré que lorsque la tension d'alimentation disponible est de l'ordre de 200 volts, la lampe la plus économique est celle correspondant à une puissance de 40 watts, dont la température de paroi., en fonctionnement, est d'environ 37 C.
Une telle lampe a environ 120 centimètres de longueur, un diamètre de 38 millimètres, une tension d'arc de 102 à 110 volts et exige une tension d'alimentation de l'ensemble inductance-lampe, d'environ 180 volts, l'intensité optimum du courant traversant est vois.- ne de 410 milliampères lorsque la lampe fonctionne dans une ambiance calme à une température uniforme de 20 Co Quand une telle lampe est appelée à fonctionner à une température ambiante voisine de 0 (zéro) C ou inférieure à 0 C, il peut d'ailleurs être souvent nécessaire d'augmenter la tension qui apparaît entre les bornes de l'ensemble inductance-lampe, pendant les premières minutes de fonctionnement ;
enmodifiant la pression du gaz inerte de remplissage dont le mélange avec la vapeur de mercure constitue l'atmosphère de la décharge, il est possible de diminuer la tension d'amorçage et de ré-amorçage, mais ce procédé n'est pas sans inconvénient, puisqu'il diminue la longévité des lampes.
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Il s'ensuit donc que la tension qu'il convient d'appliquer aux bornes du complexe réactance-lampe est imposée pour chaque type de lampe (dimensions, pression de mélange de remplissage) et détermine les valeurs respectives du condensateur et de la réactance, et que, dans la plupart des circuits parallèles composés d'une réactance (inductance), la tension apparaissant aux bornes de ladite réactance avant l'amorçage de la décharge est trop élevée pour que les électrodes soient portées à une température suffi- sante par le courant circulant dans le circuit parallèle au moment où la dé- charge s'amorce à l'intérieur de l'enceinte de la lampe.
La valeur de ce courant,habituellement appelé "courant de pré-chauffage", déoend plus des -grandeurs respectives du condensateur et de la réactance "série" que de la grandeur de la réactance du circuit parallèle ou réactance "parallèle"; pour corriger la valeur de l'intensité du courant de pré-chauffage., et ipso facto de la tension apparaissant aux bornes de la lampe pendant le pré-chauffage, il faut agir par couplage magnétique d'un enroulement auxiliaire de la réactance "série" sur la valeur de cette réactance; il existe dans ce but un dir- cuit connu utilisant en série dans le circuit parallèle un enroulement inductif auxiliaire couplé à la réactance du circuit série et un interrupteur à fonctionnement manuel ou automatique qui assure le préchauffage des électrodes et l'amorçage de la décharge.
Un tel circuit ne fonctionne toutefois correctement que si l'interrupteur du circuit parallèle reste fermé assez longtemps pour que les électrodes de la lampe à décharges électriques soient portées à la température requise pour l'amorçage de la décharge.
La présente invention est relative aux dispositifs et circuits d'amorçage et d'alimentation pour des lampes à décharges électriques à remplissage de gaz et/ou de vapeur métallique, destinés à provoquer l'amorçage de la décharge à l'intérieur de l'enceinte de la lampe et à limiter l'inten- sité du courant traversant cette même enceinte après l'amorçage de la décharge;
celle-ci ayant son siège dans un gaz ou une vapeur métallique ou dans un mélange de gaz et de vapeurs métalliques, l'enceinte de la décharge pouvant être revêtue intérieurement ou extérieurement par un revêtement transformant la fréquence des radiations émises comme, par exemple, les revêtements fluo- rescents cas lampes à décharges présentant de préférence les caractéristiques suivantes a, la paroi extérieure de l'enceinte des lampes à décharges électriques est rendue conductrice de l'électricité, sur toute sa longueur, par un revêtement transparent ou non, bon conducteur de l'électricité, formé d'un ou de plusieurs matériaux et pouvant recouvrir toute la surface extérieure de l'enceinte ou être limité à une portion seulement de cette surface;
b) le revêtement conducteur de la paroi extérieure de l'enceinte des lampes est relie électriquement à un point du circuit d'amorgage et d'alimentation de la lampe, .et de préférence à une des électrodes de la lampe; c) les électrodes des lampes sont formées de cathodes incandescen- tes constituées de telle façon qu'elles peuvent être échauffées par effet Joule par le passage d'un courant électrique avant l'amorçage de la déchar-- ge à l'intérieur de l'enceinte de la lampe; elles sont en outre recouvertes de matériaux thermo-émissifs tels que les sels de matériaux alcalins et al- calino-terreux qui émettent une grande quantité d'électrons lorsqu'ils sort portés à haute température ;
électrodes des lampes à décharges électriques peuvent être à "chauffage directif ou "à chauffage indirect" et le rveêtement extérieur conducteur de l'enceinte de la lampe à décharges électriques peut être relié à ces électrodes par l'intermédiaire d'une impédance, telle qu'une résistance ou un condensateur sans résistance appréciable.,
Suivant l'invention, le dispositif d'amorçage et d'alimentation pour lampes à décharges électriques à remplissage de gaz et/ou de vapeur mé- tallique, à électrodes incandescentes activées et à revêtement extérieur con- ducteur relié à une des électrodes, est caractérisé en ce qu'il comprend un circuit série et un circuit parallèle, le circuit série comportant, en série
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entre les bornes de la source d'énergie électrique d'alimentation, et dans un ordre quelconque,
une capacitance, l'enroulement primaire d'un transfor- mateur à deux enroulements couplés de façon normalement serrée et dont le noyau magnétique possède un entrefer non négligeable et la lampe à décharges électriques elle-même, le circuit parallèle comportant en série l'enroulement secondaire du transformateur dont l'enroulement primaire fait partie du cir- cuit série et une inductance, les deux enroulements du transformateur était connectés de telle façon que la tension qui apparaît aux bornes de la lampe à décharges électriques avant l'amorçage de la décharge à l'intérieur de l'en- ceinte de la lampe, soit inférieure à la tension qui apparaît aux bornes de l'inductance du circuit parallèle, et condition compatible avec la précédente,
que l'intensité du courant de préchauffage soit plus faible quand il existe un enroulement secondaire du transformateur que quand l'inductance du circuit parallèle est directement connectée aux bornes de la lampe, les circuits pré- sentant en outre les caractéristiques suivantes :
1 ) la lampe à décharges électriques est connectée en série aux autres éléments du circuit série par une extrémité de chacune de ses deux électrodes ;
2 ) la lampe à décharges électriques est connectée au circuit parallèle par l'extrémité de chacune de ses deux électrodes non reliée au circuit série;
3 ) le nombre de spires de l'enroulement secondaire du transformateur est au maximum égal au tiers du nombre de spires de l'enroulement primaire ;
4 ) l'inductance du circuit parallèle est formée d'une réactance dont le noyau est constitué d'un matériau magnétique à cristaux orientés,
5 ) la réactance du circuit parallèle est dimensionnée de telle façon que, pendant, le pré-chauffage des électrodes de la lampe, son noyau magnétique est saturé et que, quand la décharge est amorçée à travers l'intérieur de l'enceinte de la lampe, son noyau magnétique n'est'plus saturé ;
6 ) l'enroulement secondaire du transformateur et la réactance du circuit parallèle sont dimensionnés de telle façon que le courant de pré-chauffage ait une intensité suffisante pour porter les électrodes de la lampe à une température telle que l'amorçage de la décharge n'augmente pas sensiblement leur échauffement;
7 ) l'enroulement secondaire du transformateur et la réactance du circuit parallèle sont en outre dimensionnés pour que la tension apparaissant aux bornes de la lampe avant l'amorçage de la décharge soit au plus égale ou ne soit que très légèrement supérieure à la tension d'amorçage correspondant à la température atteinte par les électrodes à la fin de la période de pré-chauffage.
L'invention, ainsi caractérisée, sera explicitée dans ce qui suit par la description de son application à un cas particulier citée à titre d'exemple indicatif et non limitatif, représentée sur le dessin annexé. Cet exemple montrera l'ordre de, grandeur des valeurs des tension et courant de pré-chauffage et le résultat obtenu en utilisant les moyens faisant l'objet de l'inventiono
La lampe à décharges électriques ayant servi aux essais relatifs à cet exemple est une lampe fluorescente à cathodes incandescentes de 120 centimètres de longueur entre faces extérieures de culots, qui ont eux-mêmes un rebord de 9 millimètres; elle possède deux électrodes logées à l'intérjeur de l'enceinte de la décharge qui a elle-même un diamètre intérieur de 36 millimètres environ.
Les électrodes sont des filaments doublement spiralés en tungstène de 77 microns de diamètre et sont recouvertes de sels de matériaux alcalins ou alcalino-terreux. Un revêtement conducteur de l'électricité est déposé tout le long de l'enceinte de la lampe, d'un culot à l'autre et sur une largeur de 2 millimètres, et est relié à une extrémité d'une électrode de la lampe par un dépôt conducteur, à l'intérieur d'un des culots.
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Le circuit, raccordé aux bornes 1 et 2 de la source d'énergie électrique d'alimentation, comprend : a) dans le circuit série : une capacitance 3, l'enroulement primaire 5 d'un transformateur 4 et la lampe à décharges électriques 7, connectés en série de telle façon que l'extrémité 11 de l'électrode 9 de la lampe 7 est reliée à l'enroulement primaire 5 du transformateur 4 tandis que l'extrémité 13 de l'électrode 10 de la lampe 7 est reliée directement à la borne 2 de la source d'énergie; b) dans le circuit parallèle : l'enroulement secondaire 6 du transformateur 4 et une inductance 8, dont le noyau magnétique est constitué d'un matériau magnétique à cristaux orientés, ce circuit étant connecté entre l'extrémité 12 de l'électrode 9 et l'extrémité 14 de l'électrode 10 de la lampe 7.
Un revêtement conducteur 15 est relié, par exemple, à l'extrémité 11 de l'électrode 9 de la lampe à décharges électriques 7.
Le circuit, tel que décrit dans l'exposé de l'invention et ci-dessus illustré, comporte entre autres éléments un transformateur 4 dont le nombre de spires de l'enroulement secondaire 6 connecté dans le circuit parelèle, est égal au quart du nombre de spires de l'enroulement primaire 5 connecté dans le circuit série.
La tension d'alimentation ayant une valeur efficace de 230 volts, la lampe à décharges électriques est traversée en fonctionnement normal par un courant qui y dissipe une puissance de 40 watts.
Avant l'amorçage de la décharge à l'intérieur de l'enceinte de la lampe, le courant de pré-chauffage circulant dans le circuit parallèle a une intensité dont la valeur efficace est de 595 milliampères; pendant le pré-chauffage, les valeurs suivantes des diverses tensions peuvent être relevées : - aux bornes du condensateur 3 : valeur efficace 470 volts.
- aux bornes de l'enroulement primaire 5 du transformateur 4 : valeur efficace 217,5 volts valeur instantanée max. 475 volts.
- aux bornes de l'enroulement secondaire 6 du transformateur 4 valeur efficace 57 volts, valeur instantanée max. 125 volts.
- aux bornes de l'inductance 8 à noyau en matériau magnétique à cristaux orientés : valeur efficace 190 volts. valeur instantanée max. 337 volts.
- aux bornes de la lampe à décharges électriques 7.: valeur efficace 182 volts. valeur instantanée max. 330 volts.
Un tel circuit provoque l'amorçage de la décharge à l'intérieur de l'enceinte de la lampe après un pré-chauffage qui dure de 1,1 à 1,5 secondes, quelle que soit la température ambiante entre + 30 et - 250C. Il provoque l'amorçage de la décharge même quand la tension d'alimentation tombe à une valeur de l'ordre de 120 volts, pour autant que la lampe soit placée dans une ambiance calme à 20 C.
A titre comparatif, la même lampe à décharges électriques alimen- tée par un circuit d'amorçage et d'alimeitation analogue, mais dans lequel l'enroulement secondaire 6 du transformateur 5 n'est pas connecté en série, dans le circuit parallèle, avec une inductance à noyau magnétique à cristaux orientés, à donné lieu aux mesures et observations suivantes - valeur efficace de l'intensité du courant de préchauffage
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700 milliampères.
- valeur efficace de la tension aux bornes de la lampe 7 avant l'amorçage de la décharge : 214 voltso - valeur instantanée maximum de cette même tension : 410 volts.
Dans ces conditions, l'amorçage de la décharge est provoqué en moins d'une seconde, soit bien avant que les électrodes ne soient portées à une température suffisante uniquement par effet Joule, sous l'influence du courant de pré-chauffage.
Au cours de nombreux essais d'amorçage, il est apparu qu'avec le circuit suivant l'invention, comportant dans le circuit parallèle une réac- tance (inductance ) à noyau magnétique à cristaux orientés et un enroulement secondaire d'un transformateur dont l'enroulement primaire est inséré dans le circuit série, et répondant aux caractéristiques ci-dessus définies, les lampes à décharges électriques avaient une durée de vie sensiblement plus longue, un nombre d'amorçages étant atteint de valeur double de celui habi- tuellement obtenu lorsque le circuit ne comporte pas d'enroulement secondaire d'un transformateur en série avec la réactance dans le circuit parallèle.
Avec un circuit comportant dans le circuit série une capacitance et une inductance,, et dans le circuit parallèle une réactance (inductance) à noyau magnétique à cristaux non orientés, on a pu vérifier que des lampes à décharges électriques analogues à celle dont il est question ci-dessus effectuaient à peine un nombre d'amorçages égal au tiers de celui atteint avec un circuit selon l'invention, comme décrit et illustré ci-dessus.,
Au cours des essais, on a constaté que la puissance absorbée par le circuit selon l'invention, après l'amorçage de la décharge à l'intérieur de l'enceinte de la lampe, était de 46,5watts lorsque le circuit parallèle n'était pas connecté à la lampe et de 47,1 watts lorsqu'il était relié à deux extrémités des électrodes de la lampe;
il s'ensuit que la mise en service permanent, après l'amorçage de la décharge, du circuit parallèle n'augmente pas de façon sensible - moins de 1 watt pour une puissance de 40 watts absorbée dans la lampe - la consommation totale d'énergie électrique. Outre les avantages cités ci-dessus, l'utilisation dans le circuit parallèle d'une inductance à noyau magnétique à cristaux orientés a le gros intérêt de réduire les pertes pendant le fonctionnemento
L'utilisation, dans le circuit selon l'invention, dans le circuit parallèle d'une réactance à noyau magnétique à cristaux non orientés, en lieu et place d'une réactance à noyau magnétique à cristaux orientés, aux bornes de laquelle apparaîtrait, pendant le pré-chauffage, une tension dont la valeur-serait de l'ordre de celle obtenue par le dispositif selon l'invention,
provoquerait pendant le fonctionnement de la lampe à décharges électriques des pertes importantes et absolument inadmissibles en pratique.