Ballast et alimentation : fonctionnement et comparaison

Introduction

Les lampes de type “luminescent“, c’est-à-dire en pratique la grande famille des lampes à décharge (sodiumhalogénures – 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” avant la source, un ballast pour les lampes à décharge et une alimentation pour les LED/OLED.

Une approche industrielle
L’industrie des ballasts ou alimentations est étroitement liée aux fabricants des sources lumineuses : en effet, ces derniers fournissent les caractéristiques du courant à respecter pour les lampes, tubes ou modules LED et les appareillages doivent s’adapter.

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 alimentations – 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

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).

Rôle du condensateur
Le condensateur n’est pas indispensable au bon fonctionnement des lampes mais est généralement ajouté pour compenser le déphasage (→ voir ci-dessous) provoqué par la bobine du ballast et ainsi diminuer l’énergie réactive du circuit (ou augmenter le facteur de puissance).

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.

alim-dephasage

 

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

Quelques illustrations

Ballast magnétique

 alim-ballast_magnetique alim-ballast_coupe Ballast magnétique détail
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

 alim-starter_conventionnel alim-starter_electronique
conventionnel électronique

Condensateur

alim-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

Exemple de câblage d’un tube fluorescent avec ballast magnétique, starter et condensateur :

alim-branchement_magnetique

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.

Détail du fonctionnement d'un starter conventionnel
La décharge qui sert à ioniser le gaz est rendu possible par la propriété des bobines d’avoir une tension proportionnelle à la variation d’intensité à ses bornes (U =-L di/dt). Un starter conventionnel constitué d’un bilame est inséré dans le circuit, ce qui provoque un cycle d’ouverture/fermeture de circuit très rapide (le bilame agit comme un interrupteur automatique), fait varier sensiblement l’intensité aux bornes du ballast et provoque donc cette décharge ou plus précisément cette différence de potentiel : le cycle se répète alors jusqu’à ionisation du gaz. Ensuite, le ballast joue son rôle de limitateur de courant, d’une part par sa résistance interne (qu’il faut diminuer au maximum pour réduire les pertes par effets joule et ainsi augmenter le rendement) et d’autre part par l’effet inductif de sa bobine.

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 utilisation encore très 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 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.

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) -, seuls des ballasts électroniques sont maintenant utilisés 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)

Quelques illustrations
Ballast électronique alim-ballast_electronique_marquage
Intérieur d’un ballast électronique Marquage et signification

 

type ballast illustration lampe
linéaire PC T5 TOP lp T5
PC T8 PRO lp, PC T8 PRO sl T8
compact TCL
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

Des ballasts « multipuissances » sont apparus depuis quelques années : 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 est donc encore 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

Une alimentation 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 oeuvre 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. Réciproquement, plus l’intensité du courant est importante, plus il génère un flux lumineux important et moins bonne est son efficacité.

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).

Quelques illustrations
alimentation pour
luminaire LED
illustration sortie
 linéaire  LCI 35 W 150 – 400 mA TOP lp constante
 TALEXXconverter LCAI 80 W 350 mA one4all graduable
 compacte  TALEXXconverter LCI 10W 150mA–400mA TOP C constante
TALEXXconverter LCBI 15 W BASIC phase-cut lp graduable

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