FR2532509A1 - - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN CIRCUIT BALLAST ELECTRONIQUE A SEMI-CONDUCTEURS DESTINE A L'ALIMENTATION D'UNE LAMPE A VAPEUR A DECHARGE. CE CIRCUIT COMPREND UN TRANSISTOR 10 A EFFET DE CHAMP MONTE EN PARALLELE AVEC UNE RESISTANCE BALLAST FIXE 11, L'ENSEMBLE ETANT CONNECTE EN SERIE AVEC UNE LAMPE 35 ET RELIE AUX BORNES D'UNE SOURCE DE COURANT CONTINU. DES RESISTANCES 13, 14 COMMANDENT LA CONDUCTIVITE D'UN TRANSISTOR BIPOLAIRE 12 QUI, LUI-MEME, COMMANDE LA CONDUCTIVITE DU CANAL SOURCE-DRAIN DU TRANSISTOR 10 EN FONCTION DES VARIATIONS DE LA TENSION ET DU COURANT DE LA LAMPE 35. DOMAINE D'APPLICATION: COMMANDE DE LAMPES A DECHARGE A HAUTE INTENSITE.

Description

L'invention concerne un ballast perfectionné à

semiconducteur et courant continu pour alimenter efficace-

ment en énergie électrique régulée une lampe à décharge.

En comparaison à des lampes classiques à incan-

descence (filament de tungstène), les lampes à décharge produisent de lalumière à un rendement très supérieur et

ont une durée de vie beaucoup plus longue Avec l'impor-

tance croissante des économies d'énergie et de la réduction de l'entretien et des coûts, des lampes à décharge à forte intensité sont de plus en plus choisies au détriment des lampes à incandescence, en particulier pour satisfaire aux

besoins de l'éclairage industriel, commercial et public.

Des lampes classiques à décharge à forte inten-

sité sont normalement alimentées en courant alternatif qui

parcourt un ballast inductif (bobine et noyau magnétiques).

Le ballast est nécessaire pour limiter l'intensité du cou-

rant passant dans la lampe à décharge à résistance négative.

Pour loger et supporter le ballast magnétique qui est néces-

sairement volumineux et lourd, les montures de lampe et les supports de ces montures, eux-mêmes, doivent être gros et robustes Par conséquent, le coût global, relativement élevé, de l'installation de systèmes d'éclairage à décharge à haute intensité peut être attribué en grande partie au coût, à la dimension et au poids du ballast magnétique

classique à courant alternatif.

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 289 993

décrit un circuit ballast électronique avantageux, à semi-

conducteur, plus petit, plus léger et moins coûteux qu'un ballast classique à bobine et noyau et capable de faire fonctionner efficacement une lampe à décharge pendant

l'amorçage, la montée en température et l'utilisation con-

tinue, sans génération de parasites électromagnétiques ou

de vibrations acoustiques.

Dans ce dispositif de l'art antérieur, la lampe à décharge est montée en série avec un circuit ballast à semiconducteur, aux bornes d'une source de potentiel à courant continu Le circuit ballast contrôle et régule l'écoulement de l'énergie vers la lampe en limitant à une valeur de sécurité une intensité du courant passant dans la lampe lorsque cette dernière est d'abord allumée, et

ensuite en faisant diminuer la résistance efficace du cir-

cuit de commande lorsque la pression de vapeur régnant dans la lampe augmente, ce qui réduit notablement la puissance dissipée dans le circuit ballast pendant un fonctionnement normal, pour un meilleur rendement Le circuit ballast à semiconducteur monté en série avec la lampe comprend une résistance ballast fixe et un ou plusieurs transistors montés en parallèle Au moment de l'allumage de la lampe, le transistor monté en parallèle ne conduit pratiquement pas,de sorte que la totalité du courant de la lampe passe à travers la résistance ballast fixe Lorsque la tension de la lampe augmente et que le courant de la lampe diminue (en raison de l'accroissement de la pression de la vapeur à l'intérieur de la lampe pendant la période de montée en température), des moyens, sensibles aux paramètres variables de fonctionnement de la lampe, sont utilisés pour accroître la conductivité du ou des transistors, constituant une source secondaire de courant pour la lampe et réduisant la résistance efficace et la dissipation de puissance du

circuit ballast.

Bien que des circuits ballasts à semiconduc-

teur réalisés conformément aux principes décrits dans le

brevet précité présentent des avantages notables, la techno-

logie des dispositifs à semiconducteur (composants bipolai-

res discrets) utilisée pour l'exécution des fonctions demandées conduit à un dispositif relativement complexe du point de vue physique et caractérisé par un nombre important de composants individuels, et par un coût de fabrication et un risque de défaut de fonctionnement du

circuit, par suite de défaillance de composants ou d'er-

reurs d'assemblage, proportionnellement plus élevés.

L'invention a donc pour objet de réduire encore plus la dimension, le coût et la complexité d'un circuit ballast utilisé avec des lampes à décharge, en particulier des lampes à vapeur à décharge à haute intensité, du type

utilisé dans des applications générales d'éclairage.

L'invention a également pour objet de réguler la puissance fournie à une lampe à décharge en fonction des paramètres variables de fonctionnement de la lampe et d'utiliser à cet effet un dispositif semiconducteur dont les caractéristiques de fonctionnement sont conçues unique-

ment pour cette opération.

Selon une caractéristique importante de la présente invention, l'énergie électrique fournie à une lampe à décharge est avantageusement commandée par connexion de la-lampe à une source de courant continu, en série avec, le canal source-drain d'un transistor à effet de champ à grille isolée, la conductivité du canal étant régulée par un potentiel de commande appliqué à l'électrode de grille

du transistor à effet de champ.

Conformément à une autre caractéristique de l'invention, le transistor à effet de champ se présente avantageusement sous la forme d'un transistor de puissance -à semiconducteur métal-oxyde vertical (MIOS) dans lequel le canal est orienté "verticalement" par rapport au plan principal "lhorizontal" de la tranche semiconductrice De tels dispositifs VMOS peuvent être fabriqués de manière

connue par gravure d'une gorge de forme en V dans la sur-

face d'une tranche de silicium, le canal vertical (ou

presque vertical) étant formé le long des cotés de la gorge.

Selon une autre caractéristique de l'invention, l'impédance d'entrée élevée et le gain élevé du transistor VMOS à effet de champ permet à sa conductivité de canal d'être commandée de façon précise-et fiable en fonction à la fois des variations du courant et de la tension de la lampe, au moyen d'un circuit de commande simplifié quift

-dans une forme préférée de réalisation de l'invention, com-

prend l'association d'une résistance (montée en série avec la lampe pour en détecter le courant), d un diviseur de

tension (monté en parallèle avec la lampe pour en détec-

ter la tension),et d'un transistor unique à faible puissance

qui applique un potentiel de commande à la grille du tran-

sistor à effet de champ pour réguler le fonctionnement de

la lampe.

Le circuit ballast perfectionné à semiconduc-

teur selon l'invention peut être réalisé avantageusement

sous la forme d'un circuit hybride unique de microélectro-

nique dans lequel la tranche de silicium formant le tran-

sistor VMOS à effet de champ, le transistor bipolaire de commande et les diodes redresseuses de l'alimentation en courant continu sont fixes directement sur un substrat

non conducteur sur lequel un réseau approprié de conduc-

teurs métalliques et des résistances en couche mince a été appliqué De cette manière, tous les composants du circuit ballast (à l'exception de la résistance ballast fixe et des condensateurs de l'alimentation) peuvent, en fait, être réduits à un seul composant qui peut être aisément

produit en grande série.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la faible dimension du circuit ballast lui permet d'être fabriqué comme partie intégrante de la lampe elle-même, la résistance ballast prenant la forme d'un filament de lampe en tungstène qui produit un éclairage incandescent

pendant la période d'amorçage de la lampe à vapeur.

Selon une autre caractéristique de l'invention, une résistance pouvant être réglée nanuellement peut être incorporée dans le circuit pour commander la conductivité du canal du transistor V 4 OS à effet de champ afin d'offrir un moyen permettant de régler manuellement ("gradation")

le niveau d'éclairage fourni par la lampe.

Selon une autre caractéristique de l'invention, un semiconducteur photosensible peut être utilisé pour

commander la conductivité du dispositif VMOS afin de régu-

ler le niveau d'éclairement au voisinage de la lampe.

L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est un schéma simplifié d'un ballast perfectionné semiconducteur qui commande l'amplitude de l'énergie fournie à une lampe à décharge à haute intensité, conformément à l'invention;

-2532509

la figure 2 est un schéma d'un circuit ballast

antérieur à semiconducteur, utilisant des transistors bi-

polaires discrets; la figure 3 A représente schématiquement une lampe à décharge à haute intensité "à lumière mixte" dans le collet de laquelle le circuit ballast est logé, la résistance ballast étant constituée d'un filament de lampe à incandescence qui, avec le tube à arc à décharge à haute intensité, est logé à l'intérieur d'une ampoule extérieure en verre; la figure 3 B est un schéma du circuit hybride utilisé dans la lampe de la figure 3 A;

la figure 4 est un schéma d'un ballast de gra-

dation à semiconducteur réalisé conformément' à l'invention; et

la figure 5 est un schéma d'un ballast d'éclai-

rage constant utilisant un phototransistor qui réagit au niveau d'éclairement du voisinage de la lampe pour commander

la conductivité du canal VMOS.

Le circuit ballast à semiconducteur représenté dans le rectangle 100 en trait pointillé sur la figure 1

constitue un perfectionnement et une simplification impor-

tante par rapport au circuit représenté dans le rectangle en trait pointillé sur la figure 2 Une comparaison des figures 1 et 2 montre que, dans les deux circuits, tous

les composants extérieurs au rectangle-100 sont identiques.

Ci-après, le fonctionnement du circuit perfectionné repré-

senté sur la figure 1 sera décrit en premier, suivi d'une comparaison avec le circuit antérieur représenté sur la

figure 2.

L'élément actif principal utilisé dans le circuit ballast perfectionné de la figure 1 est un transistor à effet de champ à semiconducteur métaloxyde-vertical 10 (VMOS)

dont le canal source-drain est monté entre la borne posi-

tive d'une alimentation en courant continu et une extrémité d'une résistance 125 de détection de courant Une résistance ballast fixe 11 est montée en parallèle avec le canal du* transistor à effet de champ 10 La grille de ce transistor est connectée au collecteur d'un transistor bipolaire

12 dont l'émetteur est relié à la jonction de deux résis-

tances 13 et 14 Le montage en série des résistances 13 et 14 forme un diviseur de tension qui est monté en série avec une diode de Zener 18, en polarisation inverse, l'en-

semble étant connecté aux bornes d'une lampe 35 Le collec-

teur du transistor 12 et la grille du transistor 10 à effet de champ sont reliés par une résistance 15 à la borne

positive de l'alimentation en courant continu Une résis-

tance 16 relie la base du transistor 12 à la source du

transistor 10 à effet de champ.

L'alimentation en courant continu comprend un redresseur en pont classique double alternance constitué de diodes 30, deux condensateurs 31 doubleurs de tension et un condensateur 32 de filtrage Lorsqu'une tension alternative de secteur est appliquée aux bornes 120 et 121 et avant que la lampe 35 s'allume, la tension aux bornes du condensateur 32 de filtrage s'élève à une valeur convenant à "l'allumage" de la lampe 35 (environ 300 volts pour une lampe à vapeur de mercure) Etant donné la faible capacité des condensateurs 31 de doublage (par rapport à celle du condensateur 32 de filtrage), le doublage de tension cesse dès que la lampe 35 commence à prélever un

courant relativement important sur l'alimentation.

Immédiatement après l'allumage, la tension aux bornes de la lampe 35 tombe à une faible valeur (par exemple volts) Cette faible tension initiale de la lampe résulte du fait que, dans les lampes à décharge à haute intensité, le flux initial des électrons a lieu uniquement à travers un gaz d'amorçage, par exemple de l'argon Lorsque la lampe continue de brûler, sa chaleur commence à vaporiser le mercure, le sodium ou un halogénure métallique déposé sur les parois intérieures du tube à arc froid Lorsque la

pression de vapeur à l'intérieur du tube s'élève, la ten-

sion aux bornes de la lampe augmente et le courant traver-

sant la lampe diminue.

Pour protéger la lampe d'un courant excessif et l'amener à un point souhaité de fonctionnement, le canal du transistor 10 à effet de champ est maintenu initialement l'état non conducteur de manière que pratiquement la

totalité du -courant de la lampe, immédiatement après l'allu-

mage, passe à travers la résistance ballast fixe 11 Ce blocage initial du transistor 10 à effet de champ est assuré par le passage du courant d'amorçage important à

travers la résistance 125 de détection de-courant qui pola-

rise dans le sens passant la jonction base-émetteur du transistor 12 afin de maintenir la-tension grille-source du transistor 10 à un niveau nettement inférieur à celui

demandé pour la conduction du canal.

La valeur de la résistance ballast fixe 11 est de préférence choisie-pour limiter le courant initial de la lampe à une valeur à peu près égale à 120 % du courant

nominal de la lampe-sous sa tension nominale de fonction-

nement. Lorsque la tension de la lampe augmente et que

le courant de la lampe diminue pendant la montée en tempé-

rature, on atteint finalement un niveau de seuil auquel le transistor bipolaire 12 commence à se bloquer, ce qui élève la tension appliquée à la grille du transistor 10 à effet de champ et rend conducteur le canal source-drain de ce transistor 10 Lorsque le courant commence à circuler

dans le canal du transistor 10 ainsi qu'à travers la résis-

tance 11, un courant supplémentaire traversant ia résis-

tance 125 tend à rendre conducteur le transistor 12 et à bloquer le transistor 10 à effet de champ Ainsi, le

gain combiné des transistors-12 et 10 agit en contre-

réaction pour réguler le courant de la lampe après que le

niveau de seuil a été atteint.

Etant donné les variations de fabrication, différentes lampes de même type fonctionnent en fait sous

des tensions différentes et à des courants différents lors-

qu'elles sont complètement chauffées Pour normaliser l'in-

tensité de l'éclairage obtenu, il est souhaitable de délivrer un niveau prédéterminé et nominal de puissance à de telles lampes, malgré les variations de -leurs tensions

de fonctionnement A cet effet, le circuit ballast à semi-

conducteur est également réalisé de façon à réagir à des variations de la tension de la lampe L'action-de division de tension produite par les résistances 13 et 14 entraîne

l'application d'une tension décalée aux bornes de la résis-

tance 14, ce qui a pour effet de décaler le niveau de seuil du courant de la lampe vers une valeur plus faible

pour des lampes fonctionnant sous une tension plus élevée.

Avant que la tension de la lampe dépasse la tension inverse de claquage de la diode 18 de Zener, cette tension de la lampe n'a aucun effet sur la conductivité du transistor

à effet de champ qui, une fois qu'il est devenu conduc-

teur, fournit un courant constant à la lampe 35 Cependant,

une fois que la diode 18 conduit, la poursuite de l'accrois-

sement de la tension de la lampe réduit le niveau de seuil régulé du courant de la lampe de sorte que, au voisinage de la tension nominale de fonctionnement de la lampe (à

la pression complète de vapeur), le circuit assure l'appli-

cation d'énergie à un niveau nominal à la lampe.

Il convient en outre de noter que le circuit

ballast régule la transmission d'énergie à la lampe unique-

ment en réponse aux conditions de fonctionnement de la lampe elle-même, et qu'il est indépendant des fluctuations de la tension du secteur qui, dans des systèmes industriels ou commerciaux, peut être considérée comme variant de 108

à 132 volts, ou de 210 à 240 volts en courant alternatif.

Pour fournir une énergie sensiblement constante à la lampe afin d'obtenir un niveau normalisé d'éclairage, les valeurs relatives des résistances 13, 14 et 125 sont choisies de manière que, au point de fonctionnement nominal de la lampe, toute diminution de la tension de la lampe soit compensée par un accroissement du courant de la lampe (et vice versa) Par exemple, pour faire fonctionner des lampes à vapeur de mercure du type H 39, d'une puissance de watts, les composants suivants et les valeurs indiqués ci-dessous conviennent: Transistor VMOS 10 VNO 34 ON 1 (disponible auprès de Supertex, Inc. de Sunnyvale,-Californie) Résistance 1 i 1 85 ohms, 100 watts Transistor 12 Transistor bipolaire type 3904 NPN Résistance 13 180 kilohms, 1/4 watt Résistance 14 50 ohms, 1/4 watt Résistance 15 100 kilohms, 1/4 watt Résistance 16 200 ohms, 1/4 watt Diode 18 100 volts, 1 watt Condensateur 31 5 microfarads, 200 volts CA Condensateur 32 240 microfarads, 350 volts Lampe 35 Vapeur de mercure H 39 Résistance 125 5 ohms, 5 watts Le transistor VMOS 10 à effet-de champ possède des propriétés qui le rendent particulièrement adapté à l'opération de commande du courant traversant une lampe à décharge Tout d'abord, les transistors à effet de champ

à grille isolée, qui fonctionnent sur des principes physi-

ques différents de ceux des transistors bipolaires, pré-

sentent une impédance d'entrée très élevée, ce qui leur permet d'être commandés par des dispositifs à très faible

puissance Le transistor à effet de champ du type semi-

conducteur métal-oxyde à structure planaire, bien que largement utilisé dans la réalisation de circuits intégrés complexes, présente une tension élevée à l'état conducteur, ce qui rend le transistor MOS classique à effet de champ

impropre à la commande de courants de grande intensité.

Par conséquent, des dispositifs bipolaires ont été souvent

choisis pour de telles applications à grande puissance.

Le développement relativement récent de la nouvelle famille des dispositifs à structure VMOS, construits de manière que le courant du canal s'écoule à peu près verticalement par rapport au plan horizontal principal de la tranche, permet de réduire notablement le rapport de la longueur du canal à sa largeur, ce qui accroit de façon importante le courant

pouvant être conduit.

Le circuit ballast antérieur utilisant des transistors de puissance bipolaires est représenté sur la figure 2 (ce circuit étant du type décrit dans le brevet

N O 4 289 993 précité) et il fait ressortir, par comparai-

son, les propriétés avantageuses de l'utilisation d'un transistor à effet de champ du type VMOS comme élément

de ballast actif principal pour la lampe.

Tout d'abord, comme représenté sur la figure 2, deux transistors bipolaires de puissance 51 et 53, montés en parallèle et protégés par une thermistance 60, étaient utilisés précédemment pour shunter la résistance ballast Deux transistors bipolaires (au lieu du dispositif VMOS unique 10) étaient nécessaires pour permettre le passage des courants importants en circulation, et des résistances 55 et 57 d'émetteur étaient nécessaires pour

empêcher le "brouillage de courant" par l'un des transis-

tors bipolaires, ce problème étant aggravé par le fait

que les dispositifs bipolaires sont sujets à des "glisse-

ments thermiques" et à des "claquages secondaires" Par contre; dans le transistor VMOS à effet de champ de la figure 1, des accroissements de température n'entraînent pas une augmentation de la conductivité du dispositif et

aucun claquage secondaire ne se produit.

Ensuite, un courant de base important pour la

commande des transistors de puissance 51 et 53 est néces-

saire dans le dispositif antérieur de la figure 2, ce qui a pour résultat la nécessité d'utiliser un certain nombre

de transistors montés en cascade dans le circuit de com-

mande pour obtenir le gain demandé Lorsque le nombre de transistors en cascade augmente, l'effet cumulé potentiel

des variations de fabrication sur le gain (bêta) des tran-

sistors exigeait l'introduction d'une autre amplification

avec contre-réaction pour obtenir un fonctionnement fiable.

En tout, le circuit ballast antérieur, utilisant des dis-

positifs bipolaires discrets comme montré sur la figure 2,

exigeait un total de 25 composants individuels, comme repré-

senté dans le rectangle 100 en trait pointillé sur la figure 2, tandis que le circuit perfectionné de la figure 1 ne demande que huit composants et, comme indiqué précédemment,

ces composants peuvent même être combinés en un seul dis-

positif microélectronique hybride Ainsi, 1 'limpédance élevée d'entrée, le gain élevé et le courant admissible élevé du transistor VMOS à effet de champ contribuent à la simpli- fication du circuit et réduisent en outre sa dimension,

son coût et son poids.

Conformément à une autre caractéristique de.

l'invention, le petit circuit ballast à faible coût peut être réalisé avantageusement comme partie intégrante de l'ensemble à ampoule de la lampe, comme représenté sur la figure 3 A Comme indiqué précédemment, les composants électroniques principaux du ballast peuvent être réalisés sous la forme d'un circuit hybride unique 200 représenté schématiquement sur la figure 3 B, et ils peuvent être placés

dans le collet de l'ampoule, comme représenté schématique-

ment sur la figure 3 Ao.

Les divers éléments du circuit fonctionnent comme décrit précédemment et portent les mêmes références numériques que celles utilisées sur la figure 1 Dans le circuit hybride représenté sur la figure 3 B, le circuit de détection de courant a été modifié pour éviter d'avoir

à utiliser la diode 18 de Zener à haute tension, relative-

ment coûteuse, montrée sur la figure 29 La diode 18 et les résistances 13 et 14 sont remplacées par'le montage en série de résistances 18 et 20 connectées aux bornes de la lampe (entre les bornes B et D), par une diode 10 polarisée en sens passant, connectée entre l'émetteur du transistor 12 et la jonction des résistances 18 et 20, et par une résistance 21 qui relie l'émetteur du transistor 12 à une borne D (la jonction de la résistance 125 de détection de courant et du tube à arc 230)o Seule une fraction de la tension de la lampe apparaît aux bornes de la résistance , de sorte que la diode 19-n'est polarisée dans le sens passant que-lorsque le potentiel appliqué au tube à arc

230 approche de son niveau normal de fonctionnement.

Le circuit hybride 200 est réalisé de manière connue par dépôt, sur un substrat non conducteur du courant électrique (par exemple en céramique, en silicium ou en oxyde de béryllium) d'un réseau métallisé de conducteurs auxquels les tranches du dispositif semiconducteur (le transistor VMOS à effet de champ 10, le transistor bipolaire 12 et les diodes 30) sont connectées Les résistances 13-

et 125 se présentent sous la forme de dispositifs semi-

conducteurs ou à couches déposées A l'aide de l'une des

différentes techniques d'ajustage (oxydation, recuit, ajus-

tage au laser ou abrasion), les tolérances des valeurs absolues des résistances en couches peuvent être ajustées dans une plage comprise entre 1 et 0,01 % de la valeur souhaitée De cette manière 1 la relation entre les valeurs

des résistances 13, 14 et 125 peut être ajustée avec pré-

cision afin que le circuit hybride 200 fournisse le niveau de puissance souhaité au tube à arc à décharge à haute intensité. Dans le montage représenté sur la figure 3 A, la fonction de la résistance ballast fixe 11 montrée sur la figure 1 est assumée par un filament de tungstène de

200 watts, indiqué en 210 sur la figure 3 A, placé à l'inté-

rieur de l'ampoule de verre extérieure 220 de la lampe.

L'ampoule 220, dans laquelle un vidè partiel est fait et/ou qui est remplie d'un gaz inerte pour empêcher l'oxydation du filament 210, contient également le tube 'à arc 230 en quartz qui forme la partie de l'ensemble constituant la lampe à décharge à vapeur de mercure Le filament 210,

l'ampoule 220 et le tube à arc 230 sont chacun de réalisa-

tion classique Une connexion électrique avec la source d'alimentation en courant alternatif est établie par un culot 240 de lampe de type à vis, normalisé Les lettres

A à E de référence utilisées sur les figures 3 A et 3 B in-

diquent comment les éléments de la lampe contenue dans l'ampoule 220 sont interconnectés avec la tranche 200 a circuit hybride, le courant alternatif appliqué au culot 240, le condensateur de filtrage 32 et le condensateur doubleur de tension 31 (il convient de noter qu'un seul

condensateur doubleur de tension est utilisé).

Lorsque l'on utilise l'ensemble intégré à ballast et lampe représenté sur les figures 3 A et 3 B,

une conversion directe d'appareils d'éclairage à incan-

descence, inefficaces, en appareils d'éclairage à décharge à haute intensité est possible sans modification des appareils eux-mêmes L'ancienne lampe à incandescence est simplement remplacée par la lampe à décharge à haute intensité, plus efficace, plus lumineuse et d'une durée de vie plus longue Le filament 210 d'amorçage fournit de la lumière supplémentaire pendant la période d'amorçage du tube à arc 23 o à décharge à haute intensité, tandis qu'il protège le tube contre les courants destructeurs et qu'il dissipe la chaleur de la résistance ballast par rayonnement L'enveloppe extérieure 250, à-laquelle le circuit hybride 200 est fixé en relation thermique, entoure le collet de l'ensemble à lampe et agit comme radiateur de chaleur empêchant l'élévation de la température En variante, le circuit hybride peut être utilisé pour alimenter une association de lampes classiques à incandescence et de lampes à décharge à haute intensité placées dans des ampoules séparées, soit dans des appareils communs, soit dans des appareils indépendants, la lampe à incandescence n'étant

allumée que pendant l'amorçage.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées-au circuit ballast et à la lampe

décrits ci-dessus sans sortir du cadre de l'invention.

Les principes de l'invention peuvent être uti-

lisés pour la réalisation d'un ballast à semiconducteur comprenant des moyens permettant de régler manuellement le niveau d'éclairage fourni par la lampe à vapeur à

décharge à haute intensité La figure 4 montre un tel dis-

positif Le circuit est analogue à ceux décrits précédem-

ment en regard des figures 1 et 3 A, 3 B, et il comprend le transistor bipolaire 12 qui commande la conductivité du canal du transistor 10 à effet de champ monté en parallèle

avec la résistance ballast fixe 11 Comme indiqué précé-

demment en regard des figures 3 A et 3 B, la résistance

11 peut se présenter sous la forme d'un filament incandes-

cent) Cependant, les éléments de détection de la tension des circuits de commande décrits précédemments sont suppri-

més dans le dispositif représenté sur la figure 4, et la résistance fixe 125 de détection de courant est remplacée par un potentiomètre 21 pouvant être réglé manuellement. Une résistance 22 connecte le curseur du potentiomètre 21 à la base du transistor 12 dont l'émetteur est relié

directement à la borne positive de la, lampe 35.

Le potentiomètre 21 étant réglé pour établir le courant nominal de fonctionnement de la lampe 35, le transistor 10 à effet de champ reste bloqué tant que la

lampe 35 s'échauffe, immédiatement après l'allumage.

Lorsque le courant traversant le potentiomètre 21 chute jusqu'au niveau de seuil, le transistor 12 commence à se bloquer et le transistor 10 à effet de champ commence à devenir conducteur Ensuite, le circuit montré sur la figure 4 maintient un courant constant à travers la lampe

pendant qu'elle achève sa période de montée en tempé-

rature et qu'elle arrive à la pression totale de vapeur.

En cours de fonctionnement normal, si le poten-

tiomètre 21 est réglé pour accrottre la résistance de dé-

tection de courant entre la base du transistor 12 et la lampe 35, le passage d'un plus faible courant dans la lampe produit la même polarisation nette, dans le sens passant, du transistor 12 Par conséquent, le courant de la lampe peut être réglé sur une plage importante pour qu'il soit possible de commander le niveau d'éclairage produit par la lampe Une fois que la lampe a atteint la pression totale de vapeur, sa tension reste sensiblement constante, tandis que son courant est diminué pour produire

une gradation de la lampe Ainsi, lorsque le courant tra-

versant la lampe diminue par réduction de la conductivité du transistor 10 à effet de champ, la puissance dissipée

par le transistor 10 diminue également.

Etant donné que le circuit ballast selon l'in-

vention est capable de commander le niveau d'éclairage produit par la lampe, un semiconducteur photosensible peut être incorporé dans le circuit de commande afin que le niveau

d'éclairage à proximité de la lampe puisse être régulé.

La figure 5 représente un exemple d'un tel dispositif

utilisant un phototransistor 25 monté de manière à com-

mander la conductivité du canal source-drain du transis-

tor 10 à effet de champ Dans le dispositif représenté sur la figure 5, un potentiomètre 26-est monté-en série avec le canal source-drain du transistor 10 à effet de champ et avec la lampe 35 Le curseur du potentiomètre 26 est connecté à la base-du transistor bipolaire 12 au moyen du montage en série de résistances 27 et 28 Le circuit collecteurémetteur d'un phototransistor 27 est connecté entre la source du transistor 10 à effet de champ et la jonction des résistances 27 et 28 De même que dans

le cas des circuits décrits précédemment le courant ini-

tialement élevé de la lampe, présent-après l'allumage;

maintient D transistor 12 à l'état conducteur et le tran-

sistor 10 à l'état bloqué jusqu'à ce que la Iampe 35 soit échauffée Le potentiomètre 26 étant réglé pour produire le niveau souhaité d'éclairement, toute diminution du

niveau de lumière détecté par le phototransistor 25 entral-

ne une diminution de la polarisation en sens passant du

transistor 12, ce qui tend à rendre ce transistor conduc-

teur et à bloquer le transistor 10 à effet de champ De même, un accroissement du niveau d"éclairement, détecté par le phototransistor 25, tend à réduire l'amplitude du

courant d'éclairage fourni à la lampe 35 Le phototrans-is-

tor 25 peut prendre la forme d'un phototransistor planaire NPN au silicium (tel que le type L 14 H 3 de la firme General

Electric) qui se comporte-essentiellement comme un disposi-

tif-à courant constant délivrant un courant en relation directe avec l'intensité lumineuse détectée Par exemple, le courant délivré par-le phototranisistor du type L 14 H 3 varie entre environ O 01 m A à un éclairement de 2 m W/cm 2 et environ 1,2 m A à 20 m W/cm 2 Un dispositif à ballast à décharge à haute intensité, réagissant à l'intensité de la lumière et du type montré sur la figure 5, peut être agencé pour que la lampe produise un éclairage constant, tandis que-son

rendement diminue, par couplage optique direct du photo-

* transistor avec la lampe En variante, le phototransistor peut être protégé par un mascue de tout rayonnement direct

de la lampe afin de réagir plutôt à la lumière ambiante.

Des conduits de lumière à fibres optiques peuvent être utilisés pour diriger la lumière de tout point souhaité vers le phototransistor Dans ce dernier agencement, l'éclairage produit par la lampe diminue automatiquement lorsque la lumière ambiante est partiellement fournie

par le soleil, et cet éclairage s'élève de nouveau auto-

matiquement dans la soirée ou par temps nuageux Si le courant de la lampe descend au-dessous du seuil nécessaire au maintien de la lampe à l'état chaud, la lampe s'éteint d'elle-même et un dispositif photosensible supplémentaire (non représenté) peut 4 tre utilisé pour empêcher la lampe d'être réallumée à moins que l'éclairement ambiant soit inférieur à un niveau prédéterminé De cette manière, le circuit de commande selon l'invention peut être utilisé, par exemple, pour la commande du fonctionnement de lampes

d'intérieur et d'extérieur qui sont mises en marche auto-

matiquement pour faire varier leur luminosité afin de

satisfaire divers besoins d'éclairement, et pour les arrê-

ter automatiquement lorsqu'aucun éclairement n'est demandé.

Claims (27)

REVENDICATIONS

1 Alimentation pour lampe ( 35) à vapeur à décharge électrique, caractérisée-en ce qu'elle comporte une source de potentiel à courant continu, une résistance ballast ( 11), un transistor à effet de champ ( 10) à grille isolée, à structure semiconductrice métal-oxyde verticale

ayant une grille et un canal source-drain, un premier cir-

cuit pour connecter en série ledit canal et la-lampe à vapeur à ladite source, un second circuit pour connecter la résistance ballast en parallèle avec le canal, et un dispositif de régulation qui, sous l'effet de variations de l'amplitude de l'énergie électrique fournie à la lampe, fait varier le potentiel appliqué à la grille afin de

commander la conductivité du canal.

2 Alimentation selon la revendication 1, carac-

térisée en ce que le dispositif de régulation comprend

un élément ( 12) destiné à faire varier le potentiel appli-

qué à la grille afin d'accroître la conductivité dudit

canal lorsque le courant passant dans la lampe descend au-

dessous d'un niveau de seuil.

3 Alimentation selon la revendication 2, carac-

térisée en ce qu'elle comporte des moyens ( 13, 14) destinés à déplacer le niveau de seuil vers une amplitude de courant plus faible en réponse à un accroissement de la tension

de la lampe.

4 Alimentation selon la revendication 3, carac-

térisée en ce que le dispositif de régulation comprend une

résistance ( 125) montée en série avec la lampe afin de détec-

ter l'amplitude du courant passant dans cette lampe.

5 Alimentation selon la revendication 4, carac-

térisée en ce que le dispositif de régulation comprend en outre des moyens destinés à détecter l'amplitude de la

tension aux bornes de la lampe.

6 Circuit ballast destiné à connecter une

lampe ( 35) à décharge à haute intensité à une source d'éner-

gie à courant continu, caractérisé en ce qu'il comporte un

transistor à effet de champ ( 10) à grille isolée, à struc-

ture semiconductrice métal-oxyde verticale, ayant une grille

4 18

et un canal source-drain, une résistance ballast fixe ( 11) montée en parallèle avec le canal, une résistance ( 125) de détection de courant destinée à connecter le montage parallèle du canal et de la résistance ballast en série à la lampe, une -résistance ( 14) de détection de tension

connectée à ladite lampe, et un transistor ( 12) de com-

mande ayant un circuit d'entrée connecté aux résistances de détection et un circuit de sortie connecté à la grille

du transistor à effet de champ.

7 Circuit ballast selon la revendication 6, caractérisé en ce que le transistor de commande fait varier

le potentiel appliqué à la grille afin d'accroître la con-

ductivité dudit canal en réponse à un accroissement de la pression de vapeur à l'intérieur de ladite lampe à décharge

à haute intensité.

8 Lampe à décharge à haute intensité à lumière mixte, caractérisée en ce qu'elle comporte un tube à arc ( 230) à vapeur à décharge électrique et un filament de tungstène ( 210) montés à l'intérieur d'une lampe de verre ( 220), un transistor à effet de champ ( 10) à grille isolée et à structure semiconductrice métal-oxyde verticale, ayant une électrode de commande et une voie transconductrice, un circuit destiné à connecter la voie transconductrice

en série avec le tube à arc et en parallèle avec le fila-

ment, et des moyens connectés à l'électrode de commande pour accroître la conductivité de la voie transconductrice en réponse à des accroissements de la pression de vapeur à

l'intérieur du tube à arc.

9 Lampe selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte un culot ( 240) fixé à l'ampoule de verre au moyen d'un collet, le culot comportant un élément extérieur de contact, conducteur du courant électrique, destiné à établir une connexion électrique avec und douille d'alimentation en énergie, et des moyens destinés au montage

du transistor à l'intérieur du collet.

Lampe à lumière mixte, caractérisée en ce qu'elle comporte une ampoule de verre ( 220), un culot ( 240)

comprenant un élément extérieur conducteur de contact des-

tiné à établir des connexions électriques avec une douille d'alimentation en courant alternatif, un collet reliant l'ampoule au culot, un tube à arc ( 230) à vapeur à décharge électrique monté à l'intérieur de l'ampoule, un filament résistif ( 210) destiné à être porté à incandescence et

monté à l'intérieur de l'ampoule, et un circuit électro-.

nique ( 200) de commande monté à l'intérieur du collet et comprenant un redresseur ( 30) qui possède un circuit d'entrée connecté à l'élément conducteur de contact et un circuit de sortie formant une source de potentiel à courant continu, un transistor ( 10) ayant une électrode de commande et une voie trans:conductrice, un circuit destiné à connecter la voie transconductrice en série

avec le tube à arc, aux bornes de ladite source, un cir-

cuit connectant le filament en parallèle avec la voie transcondctrice, et des moyens ( 125, 12) connectés à

l'électrode de commande et qui, sous l'effet de l'ampli-

tude de l'énergie électrique fournie au tube à arc, com-

mandent la conductivité de la voie traneconductrice.

11 Lampe selon la revendication 10, carac-

térisée en ce que ledit transistor est un transistor 10 à effet de champ à grille isolée et à semiconducteur métal-oxyde vertical

12 Lampe selon la revendication 11, carac-

térisée en ce que les moyens commandant la conductivité de la voie transconductrice comprennent un élément 12 destiné à maintenir la voie non conductrice jusqu'à ce

que le courant passant dans le tube à arc tombe à un ni-

veau de seuil.

13 Lampe selon la revendication 12, carac-

térisée en ce que les moyens destinés à commander la conductivité de la voie transconductrice comprennent en outre un élément qui, sous l'effet de la tension aux bornes du tube à arc, modifie la valeur du niveau de seuil du courant pour fournir un niveau nominal prédéterminé d'énergie

électrique au tube à arc.

14 Alimentation pour faire fonctionner une lampe ( 35) à décharge à vapeur, caractérisée en ce qu'elle comporte une source de potentiel à courant continu, un

transistor à effet de champ ( 10) à semiconducteur métal-

oxyde vertical ayant un canal source-drain et une grille, des moyens connectant le canal source-drain en série avec la lampe, aux bornes de la source, et des moyens destines à appliquer un potentiel de commande à la grille pour accroître la conductivité dudit canal source-drain en réponse à des accroissements de la pression de vapeur

dans la lampe pendant qu'elle est chauffée après l'allu-

mage.

Alimentation selon la revendication 14, caractérisée en ce que les moyens destinés à appliquer un potentiel de commande à la grille comprennent une résistance ( 125) de détection de courant connectée en série avec la lampe et un transistor ( 12) monté entre la résistance de détection de courant et la grille afin d'augmenter la conductivité dudit canal en réponse à des diminutions de l'amplitude du courant circulant dans la

lampe lorsque la pression de vapeur augmente.

16 Alimentation selon la revendication 15, caractérisée en ce qu'elle comporte une résistance ballast

( 11) montée en parallèle avec le canal source-drain.

17 Alimentation selon la revendication 16, caractérisée en ce que la résistance ballast comprend un

filament ( 210) de lampe à incandescence.

18 Alimentation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif destiné à faire varier

le potentiel appliqué à la grille comprend un semiconduc-

teur photosensible ( 25) qui, en réponse au niveau d'éclai-

rement au voisinage de la lampe, maintient ledit niveau

sensiblement constant.

19 Alimentation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif destiné à faire varier

le potentiel appliqué à la grille comprend en outre un élé-

ment ( 21) réglable manuellement, destiné à faire varier le potentiel pour faire varier le courant passant dans la lampe après que cette dernière a été chauffée sensiblement jusqu'à la pression de vapeur complète, de façon à commander ainsi

le niveau de l'éclairage produit par la lampe.

Alimentation selon'la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comporte un élément ( 21) réglable manuellement, destiné à faire varier le niveau de seuil pour commander le niveau d'éclairage produit par la lampe.

21 Alimentation selon l'une des revendications

et 11, caractérisée en ce que les moyens connectés à

l'électrode de commande comprennent en outre un semiconduc-

teur photosensible ( 25) qui, en réponse au niveau d'éclaire-

ment au voisinage de la lampe, commande la conductivité de

ladite voie transconductrice.

22 Alimentation selon l'une quelconque des

revendications 14, 15 et 16, caractérisée en ce que les

moyens destinés à appliquer un potentiel de commande à la grille comprennent une résistance ( 21) qu'il est possible

de faire varier manuellement pour régler le niveau d'éclai-

rage produit par la lampe.

23 Alimentation selon l'une quelconque des

revendications 14, 15 et 16, caractérisée en ce que les

moyens destinés à appliquer un potentiel de commande à la grille comprennent en outre un semiconducteur photosensible ( 25) qui, en réponse au niveau d'éclairement au voisinage de la lampe, régule la conductivité du canal source-drain

après que ladite pression de vapeur s'est élevée sensible-

ment jusqu'à sa valeur maximale normale de fonctionnement.

24 Circuit ballast à semiconducteurs destiné à fournir de l'énergie à une lampe ( 35) à décharge à haute intensité à partir d'une source de potentiel électrique, caractérisé en ce qu'il comporte un transistor à effet de champ ( 10) à semiconducteur métal-oxyde vertical, ayant un Canal source-drain et une grille, une résistance de détection de courant montée en série avec la lampe, aux bornes de la source, une résistance fixe ( 11) montée en parallèle avec ledit canal, un transistor bipolaire ( 12) comprenant un circuit collecteur-émetteur et un circuit

base-émetteur, des moyens connectant le circuit base-

émetteur en parallèle avec la résistance de détection de

courant et des moyens connectant le circuit collecteur-

émetteur à ladite grille pour commander la conductivité

dudit canal.

Circuit ballast selon la revendication 24, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens destinés à faire varier la valeur utile de ladite résistance de

détection de courant pour modifier l'amplitude de l'éclai-

rage produit par la lampe.

26 Circuit ballast selon la revendication 25, caractérisé en ce que l'élément destiné à faire varier la valeur utile de ladite résistance de détection de courant

comprend une résistance ( 26) réglable manuellement.

27 Circuit ballast selon la revendication 24,

caractérisé en ce qu'il comporte en outre-un semiconduc-

teur photosensible ( 25) connecté fonctionnellement au

circuit base-émetteur et qui, en réponse au niveau d'éclai-

rement au voisinage de la lampe, régule ledit niveau d'éclairement. 28 Circuit ballast selon la revendication 24, caractérisé en ce qu'il comporte un élément qui, en réponse

à la tension aux bornes de la lampe, fait varier le cou-

rant passant dans le circuit base-émetteur afin de réguler

l'amplitude de la puissance fournie à la lampe.

29 Alimentation à semiconducteurs pour lampe ( 35) à décharge à haute intensité, caractérisée en ce qu'elle comporte une résistance fixe ( 11) connectée en série avec la lampe afin de limiter l'amplitude du courant passant dans cette lampe après que cette dernière a d'abord été allumée et avant qu'elle soit chauffée à sa valeur normale de travail de la pression de vapeur, un transistor à effet de champ ( 10) à semiconducteur métal-oxyde vertical ayant son canal source-drain connecté en parallèle avec la résistance fixe, et un circuit de commande qui, en réponse à l'amplitude du courant passant dans la lampe, augmente la conductivité du canal lorsque ladite amplitude

du courant tombe au-dessous d'un niveau de seuil prédéter-

mine. Alimentation selon la revendication 29, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens ( 13, 14)

destinés à réduire la valeur dudit niveau de seuil prédéter-

miné en réponse à des accroissements de la tension de fonc-

tionnement appliquée à la lampe.

31 Alimentation selon la revendication 29, caractérisée en ce qu'elle comporte une résistance ( 26) réglable manuellement, destinée à faire varier la valeur

du niveau de seuil.

32 Alimentation selon la revendication 29, caractérisée en ce qu'elle comporte un semiconducteur photosensible ( 25) monté de manière à faire varier la

conductivité du canal source-drain en réponse à des varia-

tions de l'intensité de l'éclairement au voisinage de la lampe, afin de maintenir ladite intensité à une valeur

sensiblement constante.