L`effet de la qualité de l`alimentation sur la gradation
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lampes & LUMINAIRES L’effet de la qualité de l’alimentation sur la gradation La qualité de l’alimentation joue un rôle non négligeable sur les systèmes de gradation de l’éclairage. Le principe de la gradation, la qualité de l’alimentation et le problème du bruit affectant le courant secteur et ses effets néfastes sur les gradateurs sont ici abordés, ainsi qu’une solution proposée par Lutron, l’un des spécialistes des systèmes de gradation. Son système de filtrage du bruit de ligne assure des performances homogènes en matière de variation de lumière. Figure 1. Bruit haute fréquence > 5 kHz. Causes : moteurs à vitesse variable, onduleurs en ligne Figure 2. Bruit impulsionnel. Causes : arcs de commutation (ouverture/ fermeture de circuits de charge) Figure 3. Système de signalisation et non harmonique basse fréquence. Causes : système de signalisation, communication par courants porteurs 36 LUX n° 216 - Janvier/Février 2002 ne alimentation de mauvaise qualité peut provoquer de brusques variations de l’éclairage liées à des modifications des caractéristiques de la source d’alimentation. Ce qui peut se traduire par un éclair occasionnel, un effet stroboscopique ou encore une fluctuation cyclique, ou effet de “breathing” (respiration). Cet article présente les principes de base de la gradation et des solutions possibles de gradation en présence d’une alimentation de mauvaise qualité présentant un bruit de courant secteur. Il identifie les causes probables de mauvaise qualité d’une alimentation et décrit RTISS, le système breveté de Lutron qui filtre les bruits parasites de l’alimentation à l’entrée du gradateur pour assurer une gradation stable et de qualité. U Interrupteurs et gradateurs Dans un circuit, le gradateur est utilisé à la place d’un interrupteur à bascule classique. Les interrupteurs à bascule offrent en charge deux niveaux d’alimentation seulement : marche et arrêt. Les interrupteurs gradateurs, en revanche, offrent en charge un nombre quasi-illimité de niveaux d’alimentation, déterminés par la position du curseur ou du mécanisme de commande du gradateur. La majorité des gradateurs standard sur le marché reposent sur l’un des quatre dispositifs suivants : triac, thyristor, transistor, FET ou IGBT. Ces dispositifs sont utilisés soit comme gradateurs à polarisation directe, soit comme gradateurs à polarisation inverse. Par souci de simplification, seul l’exemple du triac est ici traité, mais les problèmes et solutions abordés dans cet article sont également valables pour les autres types de dispositifs. Un gradateur à polarisation directe contrôle l’alimentation de la charge au moyen d’un interrupteur à semi-conducteur, ou triac. Le triac s’ouvre et se ferme à intervalles réguliers en fonction de la fréquence du courant secteur, 100 fois par seconde avec une alimentation de 50 Hz ou 120 fois par seconde avec une alimentation de 50 Hz, par exemple. L’utilisateur règle le niveau d’éclairage au moyen d’un curseur, bouton rotatif ou autre dispositif qui commande au gradateur, par l’intermédiaire d’un potentiomètre ou d’un micro-processeur, la fourniture au circuit d’un niveau d’intensité particulier. Le gradateur traduit ce niveau en terme de temps de conduction du triac. Le temps de conduction correspond à la durée entre la “fermeture” et l’“ouverture” du triac. Le gradateur est synchronisé sur le courant secteur au moyen d’un logiciel de temporisation intégré au microprocesseur. Le logiciel mesure la fréquence du courant secteur et le moment où sa tension passe par la valeur zéro. Une gradation stable et cohérente suppose une mesure précise de la fréquence d’alimentation et un passage bien net au zéro. Le microprocesseur se base sur ses mesures de passage au zéro et calcule le temps de conduction pour déterminer le point d’amorçage du triac. Le circuit de temporisation calcule, en fonction de la fréquence du courant secteur, la durée pendant laquelle le triac doit rester activé. Au bout de ce délai, le triac se bloque automatiquement au moment du passage au zéro du courant secteur. Cette séquence fournit le temps de conduction exact nécessaire et donc le niveau lumineux souhaité. Pour produire une gradation continue et sans papillotement, le circuit de temporisation du microprocesseur doit disposer de données fiables et très précises sur le passage au zéro. Des mesures de passage au zéro erronées peuvent influer sur le calcul des points d’amorçage et du temps de conduction de l’interrupteur à semi-conducteur et, par conséquent, altérer la qualité de la gradation. Ces données dépendent de la qualité de l’alimentation secteur. Ces deux exigences, détermination du passage au zéro et fréquence secteur exacte, sont propres à la gradation. Les autres équipements électriques ne dépendent pas de ces deux paramètres. Le fait que le matériel informatique serait tout aussi sensible aux défauts du secteur est une idée fausse très répandue. En effet, dans la mesure où, contraire- lampes & LUMINAIRES ment au bloc d’alimentation d’un ordinateur, un gradateur n’emmagasine pas d’énergie, il peut être beaucoup plus sensible aux problèmes de qualité du courant secteur. Les six types de défaut du courant secteur Dans le cadre de ses recherches, Lutron a identifié six types de défauts différents pouvant affecter le courant secteur : bruit haute fréquence, bruit impulsionnel, systèmes de signalisation et non harmoniques basse fréquence, déformations et bruit basse fréquence, variation de la tension efficace, variation de la fréquence fondamentale. Ces défauts particuliers sont produits par les différents systèmes de distribution électrique installés dans les immeubles. Les impédances des câbles et des transformateurs, ainsi que les divers systèmes et charges alimentés par un tableau de distribution commun, peuvent influer sur la gravité des défauts du secteur. Lutron a identifié ces causes après examen d’un échantillon de plus de 150 installations à travers le monde. Tous les cas étudiés provenaient d’installations pour lesquelles des problèmes étaient détectés à intervalles réguliers par du personnel compétent. Jusqu’alors, le matériel Lutron était bien adapté pour répondre à l’un de ces défauts de secteur individuellement (par exemple, le gradateur fonctionne correctement en présence de variations de la tension efficace pouvant atteindre 2 % de la fréquence du réseau). Toutefois, en présence de plusieurs défauts simultanément, les problèmes de qualité du secteur peuvent se traduire par une gradation peu fiable. Les figures 1 à 6 illustrent les six défauts du courant secteur. Ces problèmes peuvent se présenter individuellement ou combinés. Ils sont de nature dynamique et peuvent disparaître puis réapparaître au cours du temps à mesure que les charges changent sur le circuit secteur. Afin de recréer et d’analyser ces défauts, Lutron a développé une méthode permettant de reproduire avec précision les conditions réelles au sein de son laboratoire de recherche. A cette fin, Lutron a mis au point une méthode d’enregistrement faisant appel à une plate-forme audio numérique. La technique consiste à enregistrer plusieurs heures de tension secteur sur des cassettes numériques. A partir de ces cassettes, les ingénieurs sont en mesure de recréer fidèlement les conditions réelles dans leurs laboratoires. Lutron se constitue ainsi une bibliothèque d’états du courant secteur à travers le monde, ce qui lui permet de disposer de conditions expérimentales authentiques pour tester les modifications proposées sur ses produits. Solution La solution initiale de Lutron pour l’élimination des défauts de courant secteur individuels consistait en un filtre numérique appelé circuit d’asservissement de phase, ou PLL (Phase Locked Loop). Par contrôle constant du point de passage au zéro, le PLL pouvait “moyenner” tout bruit se présentant aux bornes du gradateur. L’ajustement consistait à activer ou désactiver le PLL ou à modifier la vitesse de détection du bruit. Ce système fonctionnait bien en présence d’un seul défaut de courant secteur à la fois. Si deux défauts ou plus se manifestaient simultanément, le PLL se révélerait inadapté. Pour faire face à ces cas de défauts multiples simultanés, Lutron a développé une nouvelle génération de filtres à passage au zéro, baptisée RTISS (Real Time Illumination Stability System, système de stabilisation de l’éclairage en temps réel). Ses travaux de développement ont produit un filtre analogique utilisé par le circuit de temporisation du microprocesseur. Le filtre a été conçu pour éliminer tout contenu en fréquence susceptible d’induire le circuit de temporisation en erreur. Il offre au microprocesseur des impulsions de synchronisation stables, même en présence d’une alimentation de mauvaise qualité. La figure 7 illustre le principe de fonctionnement du filtre. Le signal du haut représente une tension d’alimentation instable et déformée. Le signal du bas représente ce qui est produit par le circuitfiltre, ce qui est réellement fourni au circuit de temporisation du microprocesseur. Remarque : le circuit-filtre RTISS ne conditionne pas l’alimentation fournie au gradateur. Il ne modifie en rien la forme du courant envoyé à la charge, il se contente uniquement de fournir au circuit de temporisation un signal propre afin que le triac dispose de données précises sur le passage au zéro et la fréquence de l’alimentation. Figure 4. Déformation et bruit basse fréquence. Causes : ascenseurs et fortes charges industrielles Figure 5. Variation de la tension efficace. Causes : ouverture/fermeture de circuits de forte charge Figure 6. Variation de la fréquence fondamentale. Causes : générateurs de secours, réseaux électriques relativement restreints Conclusion L’incorporation d’un filtre de passage au zéro dans les produits à base de microprocesseur permet aux gradateurs Lutron de présenter en permanence des performances optimales. Lutron a choisi d’incorporer ses outils d’enregistrement au processus de vérification de la conception de tous ses produits. Grâce à eux, les utilisateurs ont l’assurance qu’ils ne connaîtront plus de problèmes de cohérence ou de fiabilité de la gradation lorsque l’alimentation électrique de l’installation est variable ou de mauvaise qualité. Figure 7. Tension d’alimentation et tension filtrée D’APRÈS UN DOSSIER TECHNIQUE LUTRON LUX n° 216 - Janvier/Février 2002 37
