La lampe à induction E. Roaux

La lampe à induction
E. Roaux
AFE
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Sommaire
Sommaire ................................................................................................................................... 2
I - Introduction ........................................................................................................................... 3
II- Principe de fonctionnement................................................................................................... 3
II.1 Induction et production de lumière. ................................................................................. 3
II.2- Schéma électrique du système ........................................................................................ 4
II.3- Amorçage de la décharge................................................................................................ 5
II.4-Rôle des amalgames de mercure...................................................................................... 5
III - Caractéristiques................................................................................................................... 6
III.1- Caractéristiques photométriques et durée de vie ........................................................... 6
III.2- Compatibilité électromagnétique................................................................................... 7
IV - Applications ........................................................................................................................ 8
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I - Introduction
La lampe « éternelle » a toujours été un rêve pour les utilisateurs; ceci n’était pas forcément
partagé par les fabricants qui voyaient là un risque certain pour le marché. Cependant, à la fin
des années 80, Matsushita Electric Works commercialise une lampe sans électrodes Everlight
(la bien nommée !)d’une durée de vie de 50 000 heures. Philips, en 1991, introduit sur le
marché la lampe à induction QL. Ces deux compagnies sont suivies tout d’abord par General
Electric, en 1994, avec la lampe R80 Genura puis, par Osram, en1998, avec la lampe Endura.
Bien que toutes ces lampes se diversifient par la puissance mise en jeu (de 23 à 165 W), par la
fréquence des systèmes d’excitation (de 250kHz à 13,65 MHz) par la forme des lampes, (A:
ovoïde, R : réflecteur ou tubulaire) et donc par l’application visée, elles ont toutes la
caractéristique d’être des lampes à décharge sans électrodes. L’absence d’électrodes d’un tube
à décharge signifie l’élimination du facteur principal limitant la durée de vie.
Evidemment, le problème qui se pose alors est de trouver un moyen pour amorcer et
entretenir la décharge.
Nous étudierons ci-après la lampe Philips QL, présentant une réelle gamme ( 55, 85 et 165 W)
et étant sans doute la plus répandue sur le marché.
II- Principe de fonctionnement
Le système est constitué de 3 composants (voir figure 1) :
- la lampe (A),
- la bobine d’excitation appelée « antenne » (B),
- le générateur HF (C) .
II.1 Induction et production de lumière.
L’antenne est composée d’un noyau de ferrite sur lequel est enroulée une bobine reliée
électriquement au générateur HF au moyen d’un câble coaxial de longueur définie(voir figure
2). A l’intérieur de l’antenne, une âme métallique permet l’évacuation des calories vers le
support faisant office de radiateur.
La figure 3 présente le résultat du courant circulant dans la bobine de l’antenne qui se
comporte comme le primaire d’un transformateur :
-
Le générateur HF fournit un courant de 2,65 MHz à la bobine.
La bobine induit un champ magnétique H dans la lampe.
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Ce champ magnétique H induit à son tour un champ électrique E en quadrature
avec H.
Si des électrons libres sont présents (après l’amorçage de la décharge ), ils seront
accélérés par le champ E.
Ces électrons accélérés vont entrer en collision avec des atomes de mercure du
plasma et donneront parfois naissance à une ionisation qui entretiendra le courant
électrique. Mais la plupart des collisions vont produire l’excitation des atomes de
mercure à des niveaux instables d’énergie supérieure.
Lorsque l’atome excité revient à son niveau d’énergie fondamentale, il émet des
photons dont la longueur d’onde est principalement 254 nm (rayonnement UV voir figure 4 ).
A leur tour, les photons UV excitent la poudre fluorescente déposée sur la face
interne de l’ampoule qui émet des photons visibles (voir figure 5).
II.2- Schéma électrique du système
La figure 6 présente le circuit électrique simplifié du système QL.
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La bobine de l’antenne se comporte comme le primaire d’un transformateur. Le secondaire est
formé par le courant circulant dans la lampe. L’étage de sortie du générateur HF comprend
une capacité de charge et un oscillateur réglé sur l’impédance du câble coaxial connecté à
l’antenne.
II.3- Amorçage de la décharge.
Une impulsion de tension sur l’antenne provoque une décharge luminescente capacitive dans
l’espace compris entre les extrémités de la bobine à l’intérieur de l’ampoule (voir figure 7).
Cette décharge produit assez d’électrons libres dans le gaz de remplissage pour permettre le
régime d’arc de la décharge en fonctionnement établi.
L’impulsion initiale assure également le réamorçage à chaud de la lampe.
II.4-Rôle des amalgames de mercure.
Deux amalgames de mercure sont utilisés (voir figure 8).
La lampe est compacte, ce qui entraîne une température de fonctionnement relativement
élevée. Ceci implique l’utilisation d’un amalgame de mercure (amalgame principal), au lieu
de mercure pur comme dans le cas des tubes fluorescents. Mais, en général, la lampe démarre
à froid et il n’est pas concevable d’attendre la mise en température de la lampe (plusieurs
minutes) pour obtenir un flux lumineux acceptable. Alors, dans la phase de démarrage de la
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lampe, un deuxième amalgame de composition différente est situé à proximité de la décharge,
est utilisé. Le flux lumineux nominal est ainsi obtenu en 6 secondes environ (voir figure 9).
La tension de vapeur du mercure qui conditionne l’efficacité lumineuse de la lampe est
fonction de la température du point froid de l’ampoule. Dans les premières minutes de
fonctionnement, le point froid est situé sur l’enveloppe extérieure de l’ampoule puis, se
déplace au niveau de l’amalgame principal (dans le queusot). La figure 10 montre les tensions
de vapeur de l’amalgame principal (Bi In / Hg) et du mercure pur en fonction de la
température. L’échelle de droite donne le flux lumineux relatif en fonction de la pression de
mercure.
III - Caractéristiques
III.1- Caractéristiques photométriques et durée de vie
L’efficacité lumineuse du système QL, lampe–antenne–générateur, est environ 70 Lm/W pour
les trois puissances disponibles : 55, 85 et 165W. Rappelons que le flux lumineux et
l’efficacité lumineuse sont fonction de la température de l’amalgame principal (voir figure
11), donc fonction de la température ambiante autour de la lampe et aussi de la position de
fonctionnement de la lampe et des propriétés thermiques du luminaire.
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Qualité de la lumière émise :
-
Trois températures de couleur sont disponibles selon les poudres fluorescentes
utilisées : 2700, 3000, 4000K. L’indice de rendu des couleurs est supérieur à 80.
La durée de vie du système est de 60 000 h ( ce qui représente un fonctionnement moyen de
4000 h par an pendant 15 ans). Cette durée de vie correspond à une mortalité de 20% et à une
chute de flux estimée à 30%.
III.2- Compatibilité électromagnétique.
Afin de minimiser les problèmes d’interférence, la fréquence de 2,65 MHz choisie pour
exciter le plasma se situe entre les fréquences radio : ondes moyennes(<1,6MHz) et les ondes
courtes (>4MHz). Malgré cela, l’utilisation de la haute fréquence impose des règles strictes au
niveau des blindages et du filtrage du générateur, du bobinage de l’antenne, du blindage de la
lampe et/ou du luminaire avec une mise à la terre efficace de l’ensemble.
Les normes CEM (Compatibilité électromagnétique), applicables aux appareils d’éclairage,
présentent deux parties :
-
1) Limitations des interférences produites par le luminaire :
o Conduites :
Harmoniques : 0- 2kHz ⇒ EN 61 000-3-2
RF – 9kHz-30MHz ⇒ EN55015.
o Rayonnées :
Champ magnétique H : 9kHz – 30MHz ⇒ EN 55015.
Champ électrique E : 30 MHz – 1000 MHz ⇒ EN 55022 Classe B.
-
2) Exigences d’immunité du luminaire à des perturbations électromagnétiques
extérieures : ⇒ EN 61547.
La figure 12 montre des spectres d’ondes électromagnétiques typiques d’un système QL
intégré dans un luminaire.
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IV - Applications
Malgré un coût relativement élevé à l’achat de luminaires équipés de lampes à induction, il
reste financièrement intéressant d’utiliser de telles sources en regard des faibles
consommations d’énergie et surtout des économies réalisées sur le relamping.
Les domaines d’applications sont :
-
Eclairage général intérieur; en particulier les salles de grande hauteur,
Eclairage extérieur: éclairage public, tunnel, résidentiel.
Ci –après quelques réalisations :
-
Contre allée des Champs-Elysées à Paris (Photo A).
Archives Nationales de Stockholm (Photo B).
Tunnel entre Vevey et Montreux (Photo C).
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