Alimentation des lampes fluorescentes

Les lampes fluorescentes `a cathode froide sont commun´ement employ´ees comme source de lumi`ere pour le r´etro´eclairage des ´ecrans LCD utilis´es pour les ordina- teurs portables ou tout autre appareil ´electronique portatif les n´ecessitant. Ces

lampes requi`erent une forte tension alternative, l’oscillation favorisant au mieux la conversion ´electro-optique de l’´energie, aussi bien pour l’allumage que durant leur fonctionnement en r´egime ´etabli. A priori, la fonction d’´el´evation en tension que doit pr´esenter l’alimentation peut indiff´eremment ˆetre r´ealis´ee par un transfor- mateur magn´etique conventionnel ou un transformateur pi´ezo´electrique. Le choix entre ces deux technologies est tributaire de plusieurs facteurs incluant le coˆut, la taille, le rendement et la compatibilit´e ´electromagn´etique. A puissance donn´ee, les transformateurs magn´etiques d´emontrent g´en´eralement des caract´eristiques moins int´eressantes en comparaison des transformateurs pi´ezo´electriques : ils sont plus vo- lumineux, pr´esentent une masse plus importante, un faible rendement et une ´emis- sivit´e ´electromagn´etique ind´eniable. Ils sont toutefois moins on´ereux et peuvent fonctionner sur une plus large plage de variation de charge et de fr´equence que leurs homologues pi´ezo´electriques. Ces derniers jouissent quant `a eux de nombreux avantages en termes de gain en tension, rendement, densit´e de puissance ou en- core compatibilit´e ´electromagn´etique et constituent, de part ces diff´erents atouts, une alternative s´eduisante aux technologies magn´etiques dans l’alimentation des lampes fluorescentes `a cathode froide.

Figure 1.20 – Comportement ´electrique d’une lampe fluorescente `a cathode froide [Day02]

Afin de comprendre l’apport d’une telle technologie dans l’alimentation des CCFL, une description du comportement ´electrique de la lampe s’av`ere n´ecessaire. Avant son allumage, la lampe pr´esente une haute imp´edance et est vue par le trans- formateur comme une charge r´esistive de valeur infinie (circuit ouvert). L’allumage n´ecessite une tension dite « d’amor¸cage » d´ependante du diam`etre et de la longueur de la lampe, g´en´eralement d’une valeur double de la tension de fonctionnement en r´egime ´etabli et de surcroˆıt croissante avec la diminution de la temp´erature. Suite `

a l’allumage, une diminution de la tension aux bornes de la lampe et une augmen- tation du courant d’arc la traversant sont observ´ees conduisant par l`a mˆeme `a une diminution de l’imp´edance de la lampe (cf. figure 1.20).

Le sch´ema de principe de l’alimentation d’une lampe fluorescente `a cathode froide via un transformateur pi´ezo´electrique est repr´esent´e sur la figure 1.21. A partir de ce sch´ema et du comportement ´electrique intrins`eque de la lampe d´ecrit pr´ec´edemment, l’interaction du transformateur pi´ezo´electrique avec cette derni`ere peut d´esormais ˆetre expliqu´ee. La figure 1.22 illustre cette interaction au travers de l’´evolution fr´equentielle du gain en tension du transformateur. Lors de la mise en marche de la lampe, une faible tension est appliqu´ee `a celle-ci correspondant `a la fr´equence maximale de la bande passante couverte par le VCO (Voltage Controlled Oscillator )(point A). Par la suite, lorsque la fr´equence de fonctionnement d´ecroˆıt progressivement, la tension en sortie du transformateur augmente selon l’´evolu- tion de la courbe de gain correspondant `a un fonctionnement `a secondaire ouvert jusqu’`a atteindre la tension d’amor¸cage de la lampe (point B). L’imp´edance de la lampe commence `a diminuer et la courbe de gain se trouve d´ecaler vers les basses fr´equences avec une amplitude maximale moindre. La fr´equence continue de d´e- croˆıtre pour atteindre le point de fonctionnement correspondant au r´egime ´etabli situ´e entre les points C et D. La variation du point de fonctionnement entre ces deux points, due `a une variation de la fr´equence de fonctionnement, permet alors de contrˆoler l’intensit´e lumineuse de la lampe.

Figure 1.21 – Sch´ema de principe d’une alimentation de lampe fluorescente `a cathode froide via un transformateur pi´ezo´electrique [Day02]

A noter que dans les sp´ecifications du transformateur, ce dernier doit pouvoir proposer un gain en tension susceptible d’allumer la lampe pour une tension d’en- tr´ee minimale. En effet, si l’on souhaite que l’alimentation garde le contrˆole du courant traversant la lampe, il faut s’assurer que le point de fonctionnement reste dans la partie droite de la courbe de gain et ´eviter absolument un franchissement de la r´esonance entraˆınant une extinction in´eluctable de la lampe.

D’un point de vue topologique, les premi`eres architectures employ´ees pour cette application ont ´et´e les transformateurs pi´ezo´electriques multicouches de type Ro- sen en raison de leur capacit´e remarquable d’´el´evation en tension. Pour des perfor-

Figure 1.22 – ´Evolution du gain en tension du transformateur pi´ezo´electrique de l’allumage jusqu’au r´egime de fonctionnement nominal de la lampe fluorescente `a cathode froide [Day02]

mances tout aussi int´eressantes, une structure radiale de type Transonerr est mise `

a profit dans [Bak05] pour l’alimentation d’une lampe fluorescente d’une puissance de 32 W. De mani`ere g´en´erale, en termes de performances, la puissance fournie par le transformateur est de l’ordre de 10 `a 30 W sous une tension alternative de 120 V en r´egime ´etabli jusqu’`a 300 V pour l’allumage de la lampe pour une fr´equence aux alentours de 100 kHz et un rendement sup´erieur `a 80 % [Sar05].