LES CLES DU DIMENSIONNEMENT
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Lampes fluorescentes > Alimentation des décharges
Une décharge électrique est un élément d’un circuit qui nécessite un dispositif d’alimentation complexe. Pour initier une décharge dans une enceinte gazeuse, il faut appliquer au gaz une surtension suffisante pour initier une avalanche électronique qui va permettre de rendre le milieu conducteur. De plus, une fois la décharge amorcée, le courant doit être limité pour éviter une détérioration de la lampe ou du circuit d’alimentation. Ceci est dû à la forme particulière, décroissante ou à peine croissante, des caractéristiques V(I) des décharges. Dans le cas des lampes fluorescentes la caractéristique, V(I) présente une pente négative.
On trouve sur le marché deux grandes catégories de ballast :
- Les ballasts ferromagnétiques (passifs) qui fonctionnent à la fréquence du réseau (50Hz-60Hz) ;
- Les ballasts électroniques (actifs) qui fonctionnent à des fréquences plus élevées (20kHz-50kHz) ;
Ballasts électromagnétiques
En Europe les systèmes d’alimentation ferromagnétiques sont composés d’une inductance et d’un starter (bilame) que l’on peut voir sur le schéma de la Figure I-4a). La lampe étant éteinte, la tension du réseau est suffisamment importante pour établir une décharge dans le starter. Le bilame étant chauffé par la décharge, sa partie mobile va se déformer et entrer en contact avec sa partie fixe. Dès lors, un courant parcourt les deux électrodes du tube qui sont donc chauffées par effet joule. En même temps, une fois la partie mobile du bilame en contact avec la partie fixe, la décharge s'éteint et le bilame se refroidit. A partir d'un refroidissement suffisant, la partie mobile revient vers sa position initiale et coupe ce circuit de nature inductive en induisant une surtension. Cette surtension est directement appliquée aux bornes du tube, et la décharge s’amorce alors si les électrodes sont suffisamment chaudes. Si ce n’est pas le cas, le cycle qui vient d’être décrit recommence jusqu’à ce que la décharge s’amorce. Une fois amorcé, l’inductance limite le courant dans la décharge à son niveau nominal. Un condensateur en parallèle sur le réseau relève le facteur de puissance de l’ensemble.
En Amérique du nord, du fait de la faible tension de réseau généralement utilisée (120V), des systèmes à base de transformateur sont préférés. On trouve des ballasts avec (inductance + starter) ou sans (instant start) préchauffage des électrodes, qui sont présentés sur la Figure I-4.
Figure I-4 : Ballast ferromagnétiques + starter a) et instant start b)
Forme d’onde à l’amorçage
La Figure I-5 présente les formes d’onde typiques de tension (vert) et de courant (jaune) lors d’un amorçage sur ballast ferromagnétique + starter. La base de temps est de 500ms/div pour l’oscillographe de gauche et de 100ms/div pour celui de droite. Le calibre en tension est de 100V/div et de 1A/div pour le courant. A t=T1 la tension du réseau est appliquée au système. Un courant de chauffage parcourt alors les électrodes et le starter. A t=T1’ le starter s’ouvre et induit donc une surtension aux bornes de la lampe. La lampe ne s’amorçant pas le cycle recommence jusqu’à t=T2 ou la lampe s’amorce après quatre tentatives. Ensuite on peut reconnaître l’allure caractéristique de la tension d’arc d’une lampe alimenté en basse fréquence, que l’on a détaillée sur la Figure I-6. On peut notamment remarquer le pic de tension de réamorçage après chaque passage du courant à zéro. Ceci s’explique par la recombinaison des paires électron-ion lorsque le courant passe par zéro. A cette fréquence, la variation du courant dans le temps n’est pas assez rapide pour éviter la relaxation du plasma.
Figure I-5 : Forme d’onde d’un amorçage typique sur ballast ferromagnétique
Forme d’onde en régime
Figure I-6 : Tension d’arc (vert 100V/div) et courant de décharge (jaune 0.5A/div) pour une fréquence de 50Hz (BT 5ms/div)
Ballasts électroniques
Le type d’alimentation basse fréquence décrit précédemment a tendance à disparaître au profit des alimentations électroniques dont les parts de marchés n’ont cessé de croître depuis leurs premières apparitions.
On trouve deux grandes familles de ballasts électroniques qui sont utilisées suivant le type d’application visé :
- Les ballasts électroniques sans préchauffage des électrodes (instant start) qui sont utilisés dans des applications ou les fréquences d’allumage restent faibles (3 par jour au maximum).
- Les ballasts électroniques avec préchauffage des électrodes (rapid start ou programmed start) qui sont plus utilisés dans des applications nécessitant une fréquence d’allumage plus importante. Ces derniers offrent à l’utilisateur la possibilité de réguler le flux lumineux (dimming).
La structure la plus couramment utilisée se compose d’un pont complet, d’un module de compensation actif du facteur de puissance et d’un demi-pont à base de MOSFET de puissance attaquant un circuit résonnant (parallèle, série ou mixte suivant les différents ballasts) permettant d’alimenter la lampe en régime sinusoïdal haute fréquence. La topologie classique d’un ballast électronique avec préchauffage des électrodes est représentée sur la Figure I-7.
Figure I-7 : Ballast électronique avec préchauffage des électrodes
Forme d’onde à l’amorçage
=> Ballast sans préchauffage des électrodes
Figure I-8 : Forme d’ondes typique de l’amorçage d’un tube F36T8 alimenté par un ballast électronique sans préchauffage des électrodes
La Figure I-8 montre les formes d’ondes typiques de l’amorçage d’une décharge dans un tube F36T8 alimentée par un ballast électronique sans préchauffage des électrodes. A t=t1 une forte surtension est appliquée aux bornes du tube (typiquement 600-700V). Les électrodes n’étant pas préchauffées, une décharge luminescente, caractérisée par une forte tension et un courant relativement faible (par rapport au courant nominal). Cette décharge luminescente, qui va échauffer l’électrode, est entretenue pendant une centaine de milliseconde. A t=t2 la décharge passe alors en régime d’arc. La tension aux bornes de la lampe diminue alors que le courant augmente. On peut remarquer néanmoins que les formes d’onde de tension et de courant ne sont pas tout à fait symétriques. La partie négative de la tension montre des valeurs plus élevées que la partie positive. Le courant atteint quant à lui des valeurs négatives plus faibles que les valeurs positives. Ceci s’explique par le fait que les deux électrodes ne passent pas en régime d’émission thermoïonique toutes les deux en même temps. Ce n’est qu’au bout du temps t=t3 que les deux électrodes seront toutes les deux passées dans ce régime. Ceci dénote un fort caractère aléatoire de la phase de mise en régime des électrodes, qui est appuyé par les pics de tension et de courant observés pendant la phase luminescente. De t=t3 à t=t4 le courant est maintenu à une valeur plus faible que le courant nominal, et à partir de t=t4, la décharge fonctionne en régime établi.
=> Ballast avec préchauffage des électrodes
Figure I-9 : Forme d’ondes typique de l’amorçage d’un tube F36T8 alimenté par un ballast électronique avec préchauffage des électrodes
La Figure I-9 montre les formes d’ondes typiques de l’amorçage d’une décharge dans un tube F36T8 alimentée par un ballast électronique avec préchauffage des électrodes. A t=t1 le système est mis sous tension et une tension est alors appliquée sur les électrodes. Ceci va permettre de les préchauffer pendant un temps prédéterminé pour leur amener une énergie suffisante avant l’amorçage qui s’effectue à t=t3 après qu’une rampe de tension n’ait été appliquée à t=t2. Une fois la décharge amorcée le courant monte lentement jusqu’à sa valeur nominale, qu’il atteint à t=t4.
Forme d’onde en régime
La Figure I-10 présente la tension d’arc, le courant de décharge et la puissance lampe dans le cas d’une alimentation haute fréquence. Dans cette configuration on peut voir que la tension d’arc est quasiment sinusoïdale contrairement au cas de l’alimentation basse fréquence. Le courant et la tension sont en phase ce qui indique que la conductance de la lampe n'a pratiquement pas le temps d'évoluer pendant la période : elle n'est fonction que de la puissance volumique moyenne.
Figure I-10 : Tension d’arc (vert 40V/div) courant de décharge (jaune 0.2A/div) et puissance (violet 8W/div) pour une fréquence de fonctionnement de 48kHz (BT 10µs/div)