sujet

TP PLASMA 2:
COMPORTEMENT D’UNE COLONNE POSITIVE BASSE PRESSION ET
ETUDE DE SON BILAN ENERGETIQUE
Objectifs du Tp
Ce Tp a pour but d’étudier le bilan énergétique d'une colonne positive d’une
décharge électrique basse pression hors d'équilibre thermodynamique. Nous profiterons
de cette étude pour analyser également les zones proches des électrodes appelées
« gaines ». Le système à étudier est une lampe fluorescente similaire à celles qu'on
utilise pour l'éclairage domestique.
A la fin du Tp, l’étudiant devra être en mesure :
- d’expliquer le fonctionnement du starter et d’un ballast,
- de donner les avantages et les inconvénients des ballasts ferromagnétiques et
électroniques ainsi que leur influence sur l’efficacité lumineuse et la durée de
vie d’une lampe,
- de faire le bilan énergétique de la colonne positive d’une décharge
- de justifier la présence d’instabilités dans la décharge
Liste du matériel
1 lampe fluorescente sans poudre PHILIPS TL-D 18W/83
1 lampe fluorescente avec poudre POLYLUX XL F18W/840
1 ballast ferromagnétique OSRAM SE 118N
1 ballast électronique 4 entrées, 2 sorties, Tridonic ATCO.PC 1/18 T8 Pro
1 câble d’alimentation, 1 autotransformateur, 1 oscilloscope.
2 voltmètres, 1 ampèremètre numériques/analogiques et 1 wattmètre numérique
1 maquette didactique et un phototransistor monté sur la maquette
Manipulation sur la lampe fluorescente blanche
Considérons un tube en verre de diamètre externe D=36mm et de longueur
L=80cm (fig.1). Chaque extrémité du tube est munie d'électrodes. La décharge qui
s'amorcera entre ces électrodes occupera pratiquement la totalité de l'espace inter-
électrodes.
Figure 1 : Schéma du tube fluorescent en verre

Avant l'amorçage, le tube contient 3 Torr d'argon et une (ou plusieurs)
gouttelette(s) de mercure condensée(s) à l'endroit le plus froid de la paroi. Étant donné
que même à température ambiante le mercure liquide a une tension de vapeur saturante,
une faible quantité de mercure à l'état gazeux existera dans le tube. La pression partielle
du mercure, contrairement à celle de l'argon qui reste constante, dépend fortement de la
température de la paroi du tube. La figure 2 donne la pression de la vapeur saturante du
mercure en fonction de la température de son point de condensation.
Figure 2 : Variation de la pression de mercure en fonction de la température de paroi.
Le tube est maintenant raccordé, via ses électrodes, à un circuit électrique. Ce circuit
alimente le tube avec un courant Iarc. Quelques instants après l’amorçage de l’arc via le
starter ou le ballast électronique), une décharge, stationnaire et axialement homogène (à
l'exception d'une zone très mince au voisinage de chaque électrode) s'établit dans le
tube. Dans les conditions décrites ci-dessus, et étant donné que le seuil d'ionisation du
mercure (10.43eV) est plus faible que celui de l'argon (15.76eV), le mercure est le seul
élément "actif" de la décharge. Le rôle de l'argon consiste à limiter le libre parcours
moyen (distance entre deux électrons) des électrons afin qu'ils puissent exciter et ioniser
efficacement le mercure. Les atomes excités de mercure peuvent se désexciter
spontanément en émettant des photons à des longueurs d'onde propres à la structure
atomique du mercure (émission de raies atomiques). Dans ce type de décharge, la raie
du mercure la plus intense se situe dans l'ultraviolet et plus précisément autour d'une
longueur d'onde centrale de 254 nm. Ce rayonnement excitera la poudre fluorescente
qui recouvre la paroi interne du tube et sera réémis par elle dans un large domaine de
longueur d'ondes visibles (lumière blanche).
0.1
1
10
100
Pression du mercure (mTorr)
100806040200-20
Température de la paroi (°C)

• Avec le ballast ferromagnétique
Dans cette partie, on utilisera le ballast ferromagnétique (fig.3) et la maquette (fig.4).
- Brancher le câble de l’alimentation 220V sur le ballast et la maquette pour alimenter
le ballast et le phototransistor.
- Relier le ballast à la maquette (sortie n°1 du ballast vers n°2 en entrée de la maquette
et sortie n°2 du ballast vers n°6 en sortie de la maquette).
Figure 3 : Ballasts ferromagnétique (en haut) et électronique (en bas)
Figure 4 : Platine « lampes fluo »

Figure 5 : Schéma électrique du montage
Etude de la phase d’allumage :
- Avant de mettre la lampe sous tension, mesurer à l'aide du thermocouple la
température To de la surface du tube clair. En déduire la pression partielle du
mercure et la pression totale du gaz.
- En utilisant une méthode volt-ampèremétrique, mesurer la résistance Ohmique du
ballast ferromagnétique Rb (il ne faut pas que ce dernier soit connecté au reste le
circuit).
- Brancher le circuit de la décharge. Mettre la lampe sous tension. Relever le courant
IStarter qui traverse le starter. Que constatez-vous ?
- Sachant que le starter est construit autour d'un bilame et que la capacité joue un rôle
de filtre, essayez d'expliquer le fonctionnement et le rôle du starter.
Etude du spectre d’émission :
- Laisser la décharge se stabiliser pendant 3-4 min. Pendant ce temps, à l’aide d’un
petit spectroscope, observez le spectre d’émission de la décharge. Relevez les
longueurs d’ondes correspondant aux raies les plus intenses. Quelles sont vos
conclusions ?
Caractérisation de la décharge :
- Observez à l’œil nu la décharge. La partie centrale dite « colonne positive » occupe
la majeure partie du volume du tube et est axialement homogène. Cependant, une
zone fortement inhomogène apparaît à proximité des électrodes : ce sont les
« gaines ». Pour quantifier vos observations, nous utiliserons le phototransistor.
- Balader lentement le phototransistor le long de l’axe du tube et tracer la variation de
sa réponse en fonction de la distance x de déplacement. Sa réponse correspond à la

luminosité de la décharge que l’on mesurera avec un voltmètre continu relié au
phototransistor. On fixera l’origine (x=0) sur l’extrémité du tube.
- En utilisant ce tracé, identifier les différentes zones de la décharge et déduisez-en la
longueur de la colonne positive. Quelle est la proportion de l’espace inter-électrodes
occupée par cette colonne positive ?
- Utiliser l’oscilloscope comme appareil de mesure (position AC pour supprimer la
composante continue) afin d’observer la variation temporelle de la luminosité de la
décharge.
- Positionner le phototransistor dans la région de la colonne positive. Quelle est la
fréquence du signal ? Mesurer la tension crête et déduire le taux d’ondulation.
Quelles sont vos remarques ?
- Positionner le phototransistor dans la région de la gaine. Quelle est la fréquence du
signal ? Quelles sont vos conclusions ?
Etude du bilan énergétique:
Une fois la décharge stabilisée :
- Observer à l'oscilloscope l'évolution de la forme de la tension et le courant d'arc
Varc(t) et I(t).
- Mesurer le courant d’arc Iarc. Connaissant le rayon du tube (Cf partie théorique),
déterminer la densité du courant J dans ce dernier.
- Calculer la puissance électrique apparente, Sin, injectée au système.
- Mesurer la chute de potentiel, ΔVb, aux bornes du ballast. Si sa résistance Rb est
négligeable (en réalité elle est ~1-2Ω), déterminer son inductance Lb.
- Mesurer la tension Varc aux bornes de la décharge.
- Calculer la puissance électrique apparente Sarc injectée à la décharge.
Une partie de l’énergie électrique injectée dans la décharge est consommée dans les
gaines à la proximité des électrodes. Cette consommation d’énergie se traduit par une
chute de potentiel ΔVg. Dans le cas d’un tube fluorescent comme celui utilisé dans cette
expérimentation, cette chute de potentiel est de l’ordre de Vg=15V.
- Essayer de proposer une méthode de mesure de cette quantité.
- En utilisant vos mesures, la valeur de ΔVg estimée et les dimensions du tube,
calculer le champ électrique axial, Ecp, dans la colonne positive. Quelles hypothèses
avez-vous fait pour réaliser ce calcul ?
- Déterminer la puissance électrique apparente Scp qui arrive à la conne positive et
celle qui est perdue dans les gaines Sg.