Ballast et driver : fonctionnement et comparaison
Introduction
Les lampes de type “luminescent“, c’est-à-dire en pratique la grande famille des lampes à décharge (sodium, halogénures – ou iodures – métalliques et fluorescence) ainsi que les LED/OLED, ont un principe physique qui ne leur permet pas de fonctionner directement sur un réseau électrique en 230V et 50Hz : il est donc nécessaire d’intercaler un élément appelé “appareillage” entre le réseau électrique type EDF et la source, un ballast pour les lampes à décharge et un driver pour les LED/OLED.
Il est donc nécessaire pour les fabricants de ces composants électroniques de travailler en relation très étroite avec les producteurs de sources d’éclairage artificiel, une société pouvant d’ailleurs produire les deux types de composants.
La technique pour fabriquer des lampes incandescentes ou fluorescentes est radicalement différente de celle utilisée pour fabriquer des boîtiers électroniques – tels que les ballasts électroniques ou les drivers – et les métiers de fabricant de source et d’appareillage étaient bien séparés avec ces technologies. L’arrivée de la LED a rapproché ces industries dans le sens où tout se résume maintenant à l’électronique : certains acteurs du marché – qui ne proposaient que les ballasts électroniques sans les sources par exemple – proposent maintenant à la fois des modules LED et les alimentations correspondantes.
Lampes à décharge (pour mémoire car plus utilisées)
Sommaire
Ballast magnétique
Les appareillages les plus simples et les plus anciens sont de type magnétique : le ballast est alors composé d’un enroulement de cuivre autour de tôles magnétiques (bobine), qui limite l’intensité électrique pour ne pas détériorer la lampe et participe également à l’amorçage (→ voir ci-dessous le détail du fonctionnement d’un starter conventionnel). Il est nécessaire de mettre également un composant qui, avec le ballast, provoque l’amorçage (starter pour la fluorescence et amorceur pour les autres lampes à décharge, → voir ci-dessous) et un condensateur – bien que non indispensable au bon fonctionnement de la lampe – est souvent également inséré pour avoir une installation électrique « propre » (→ voir ci-dessous).
Dans cet exemple, la tension U est en retard sur l’intensité, les deux courbes ne sont plus en phase, il s’agit donc de déphasage. La bobine du ballast décale la phase dans un sens et le condensateur dans l’autre, d’où la présence du condensateur pour limiter ce décalage.
Voici un résumé des composants avec leurs fonctions :
| Limitation du courant | Amorçage | Compensation de déphasage | |
| Source fluorescente (lampe ou tube) | Ballast magnétique | Starter conventionnel | Condensateur |
| Starter électronique | |||
| Autre lampe à décharge (sodium, halogénures ou vapeur de mercure) |
Ballast magnétique | Amorceur | Condensateur |
A noter
A cause de ses mauvaises performances, la solution magnétique est déconseillée dès qu’une solution électronique est disponible sur le marché (sauf conditions particulières comme les fortes températures), ce qui est actuellement le cas dès que les puissances sont faibles (inférieures ou égales à 150W).
Fluorescence
Ballast magnétique
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| ballast ferromagnétique | coupe 1. enroulement de fil de cuivre 2. tôle ferromagnétique 3. résine |
marquage et signification : λ est le facteur de puissance tw la température d’enroulement EEI la classe du ballast |
Starter
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| conventionnel | électronique |
Condensateur
Les ballasts magnétiques ne possèdent pas un bon rendement et sont donc de moins en moins utilisés dans l’éclairage professionnel. Ils ont cependant des caractéristiques intéressantes qui rendent leur utilisation pertinente voire indispensable dans certains cas :
– Robustesse : moins sensibles que les ballasts électroniques aux impuretés du courant électrique, ces ballasts sont utilisés par exemple sur les circuits provisoires de chantier
– Tenue en température : le ballast peut résister à des températures élevées (température ambiante d’environ 80°C), le starter entre 80 et 90°C et le condensateur entre 85°C et 100°C
– Durée de vie : le ballast a une durée de vie de 10 ans donnée par les constructeurs à condition notamment que les températures ne dépassent pas les valeurs préconisées.
Exemple de câblage d’un tube fluorescent avec ballast magnétique, starter et condensateur :
La gradation est possible avec le ballast magnétique avec la technique du découpage de phase.
A noter
Il existe deux types de starter : les starters conventionnels (avec bilame) et les starters électroniques. Ces derniers permettent d’effectuer environ 10 fois plus de commutation que les starters conventionnels et augmentent également la durée de vie des lampes.
Autres lampes à décharge
Grandes puissances
Le ballast magnétique est la seule solution possible pour les puissances supérieures ou égales à 250 W, ce qui rend leur présente encore courante pour les luminaires de fortes puissances comme les projecteurs pour les stades par exemple.
Ballast électronique
Fonctionnement général
Depuis les années 1980 et les progrès de l’électronique (plus précisément des semi-conducteurs), l’ensemble starter+ballast+condensateur a été intégré dans un unique composant appelé ballast électronique.
Ce dernier présente un certain nombre d’atouts, dont la consommation énergétique, l’augmentation de la durée de vie des lampes et une très bonne compensation du déphasage. De plus, il diminue le papillotement (ce qui diminue la fatigue visuelle) en alimentant les lampes sous haute fréquence (de 20 à 60 000 Hz), coupe automatiquement l’alimentation d’une lampe défectueuse, évite son clignotement en fin de vie et également le « bourdonnement » qui peut apparaître avec les ballasts magnétiques.
Le ballast électronique est un composant performant mais fragile, dont la durée de vie dépend de la température ambiante, du nombre de commutations, et de la « propreté » du courant électrique. Il est également capital de respecter les caractéristiques de la lampe correspondante, tout ballast étant prévu pour un ou des types de lampes bien définis.
Les « ballasts à cathodes chaudes » préchauffent les électrodes, ce qui permet d’avoir une tension moindre pour amorcer l’ionisation et d’augmenter ainsi la durée de vie des lampes. Ce préchauffage réduit la dépendance de la durée de vie de la lampe au nombre de commutation.
L’ordre de grandeur des tensions en jeu (et qui dépend sensiblement des lampes) est de :
– pic de 1500V pour l’amorçage à froid et 500V pour l’amorçage à chaud
– entre 50 et 200V en fonctionnement.
La température est un élément crucial pour le bon fonctionnement du ballast électronique (comme tout composant électronique d’ailleurs, → voir les LED et leurs alimentations par exemple) : un point Tc (Température critique) est défini sur chaque ballast et permet de s’assurer du bon fonctionnement de celui-ci. En effet, à l’aide d’un thermo couple dans une enceinte à air calme qui maintient une température ambiante définie, la température est mesurée précisément en ce point dans le luminaire en fonctionnement : si, pour une température ambiante donnée, la valeur indiquée par le fabricant de ballast (en général 75, 80 voire 85°C) est dépassée, les caractéristiques du ballast en termes de rendement et durée de vie ne seront plus assurées à cette température ambiante..
Température
Comme tout composant électronique, le ballast ne doit pas être soumis à de fortes températures sous peine d’être détérioré rapidement. Certains ballasts haut de gamme ont d’ailleurs des protections intelligentes pour ne pas être détériorés.
Fluorescence
Dans la pratique – et suite aux différentes mesures prises pour réduire la consommation énergétique (→ voir la page sur la page performance) -, les ballasts électroniques ont été fortement privilégiés avec les lampes ou tubes de type fluorescent. Quelques situations particulières font cependant exception, comme un courant électrique peu propre – comme sur les installations provisoires de chantiers – ou une température particulièrement élevée.
A noter
De manière générale, une lampe est conçue pour être alimentée avec des caractéristiques de courant bien définies qu’il est capital de respecter pour garantir l’efficacité et la durée de lampe.
Un ballast non adapté pourra fonctionner avec une lampe pour laquelle il n’est pas prévu mais ses performances ne seront pas optimales et il pourra également détériorer la source. Un ballast peut être aussi prévu pour fonctionner avec plusieurs lampes ou tubes, comme les très répandus ballasts 3 ou 4x14W pour fabriquer des luminaires encastrés dans les faux plafonds 600×600.
Il existe sur le marché deux types de ballasts correspondant aux types de lampes mais qui sont surtout en cohérence avec l’architecture des luminaires :
– les ballasts linéaires, destinés aux tubes T8 et T5 donc correspondant aux luminaires linéaires
– les ballasts compacts, destinés aux lampes fluo compactes donc aux luminaires de petites surfaces (downlight et hublot par exemple)
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| Intérieur d’un ballast électronique | Marquage et signification |
| Type ballast | Illustration | Lampe |
| Linéaire |  |
T5 |
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T8 | |
| Compact |  |
TCL |
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TC |
A noter
La famille des tubes T5 HE (14/21/28/35W) est très homogène et un unique ballast permet d’alimenter indifféremment l’un ou l’autre des tubes.
A noter
Il existe des ballasts « multipuissances » : ils permettent d’alimenter des tubes de même longueur mais de puissances différentes. Ils permettent donc d’ajuster le flux des tubes dans un luminaire. Ils n’ont pas d’utilité si le projet d’éclairage est bien réalisé ou en cas de gradation par exemple.
Autres lampes à décharge
Les autres lampes à décharge (sodium, halogénures métalliques et vapeur de mercure) peuvent également être alimentées par un ballast électronique mais uniquement pour des puissances inférieures ou égales à 150W.
Le ballast magnétique a donc été très utilisé pour les fortes puissances, donc notamment pour les éclairages de grande/très grande hauteur.
Comparatif magnétique/électronique
| Propriétés | Magnétique | Electronique |
| Durée de vie moyenne (ordre d’idée) | 10 ans | 50 000 commutations (ou 50 000 heures) |
| Puissances acceptées | Toutes puissances | ≤ 150W |
| Efficacité | Mauvaise | Bonne |
| Robustesse | Importante | Faible |
| Compensation du déphasage | Moyen (avec condensateur) | Bon |
| Prix | Faible | Moyen |
| Tensions acceptables (environ) | 230V +- 10% | 220 / 240V |
| Température ambiante admissible (environ) | -20°C / +80°C | -20°C / +50°C |
| Harmoniques | Moyen | Faible |
| Facteur de puissance | Entre 0,85 et 0,90 (avec condensateur) | Entre 0,95 et 0,98 |
| Fréquence de fonctionnement | A choisir 50 ou 60Hz | Indifférent 50 ou 60Hz |
| Sensibilité à la propreté du courant électrique | Faible | Importante |
LED
Un driver LED est un boitier électronique qui génère les caractéristiques du courant nécessaires au fonctionnement des LED. Comme pour les appareillages de lampes à décharge vus ci-dessus, il est indispensable de bien associer l’alimentation aux LED correspondantes sous peine de détériorer les différents composants.
Température
Comme tout composant électronique (dont le ballast vu ci-dessus), l’alimentation LED ne doit pas être soumise à de fortes températures sous peine d’être détériorée rapidement. De même que pour le fonctionnement propre des LED (composant optoélectronique), les précautions de mise en œuvre sont indispensables pour avoir une installation fiable (test dans une enceinte à air calme des températures critiques Tc des composants suivant les valeurs préconisées par les fabricants).
Les alimentations sont classées en deux types :
– alimentation à courant constant (intensité constante) pour les LED de puissance, donc pour l’éclairage général. Voici quelques valeurs courantes : 300 mA, 350 mA, 400 mA, 500 mA, 700 mA, 900 mA, 1050 mA, 1400 mA, 1750 mA…
– alimentation à tension constante pour les faibles puissances : 12V (signalétique) ou 24V (décoratif ou RGB).
Pour les LED de puissance, un même module LED peut être alimenté par différentes intensités de courant mais ses caractéristiques en seront modifiées : plus l’intensité du courant est faible, moins il génère du flux lumineux mais meilleure est son efficacité (baisse de la température). Réciproquement, plus l’intensité du courant est importante, plus il génère un flux lumineux important et moins bonne est son efficacité (augmentation de la température).
A noter
La logique HE/HO des tubes fluorescents T5 se retrouve être la même qu’avec la fluorescence : plus l’intensité du courant est faible, moins les LED produisent du flux lumineux mais plus l’efficacité est importante (car la température sera plus faible).
| Driver pour luminaire LED |
illustration | Sortie |
| Linéaire |  |
Constante |
 |
Gradable | |
| Compact |  |
Constante |
 |
Gradable |
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