La lampe à induction

21/10/2017
Auteurs : Eric Roaux
Publication REE REE 2005-3
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-3:20556
DOI :

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La lampe à induction

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L'ECLAIRAGE (2 IME PARTIE) La lampe à induction Par Éric ROAUX AFE Lampe à induction, Système d'éclairage à induction, Lampe àtrèsgrande duréedevie, Décharge excitée àfréquence radioélectrique 1. Introduction La lampe « éternelle » a toujours été un rêve pour les utilisateurs ; cela 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 enl998, 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 250 kHz à 13,65 MHz), par la forme des lampes (A : ovoïde, R : réflecteur ou tubu- laire) et donc par l'application visée, elles ont toutes la caractéristique d'être des lampes à décharge sans élec- trodes. 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. c Nous étudierons ci-après la lampe de Philips QL, qui présente une réelle gamme (55, 85 et 165 W) qui est sans n doute la plus répandue sur le marché. Principe de fonctionnement Le système est constitué de 3 composants (voir figure 1) . la lampe (A), 9 la bobine d'excitation appelée « antenne » (B), . le générateur HF (C). c J /''r*< ! \ 3 IS , p r ('l'l' " ' ! -'!,1, '[L ",,' ",'w- - _------------------ ',\ r'A'--- "-'--=-* - " *---. -\''.. - - - - -- " " " \ \ o \. --jr' " \ .-.--- -'-''n ---.' "-_ _'/ Figiti-e 1 2.1. 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 c 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. Lalampeà inductionmet en jeu une technologie nouvelle dans le domainedes sourcesde lumière : combinaisonde latechniquede !'inductionélectromagnétiquepour exciter un plasmabassepres- sion. Cetarticledécrit tout d'abord le principede fonctionnement, puis donne les caractéristiquesélectriques et photométriques- durée de vie exceptionnelle,qualité de la lumière émise équiva- lenteaux tubes fluorescents actuels - et enfin expose la compa- tibilité électromagnétique de la lampe à induction Philips QL. L'articlese termine par quelquesapplicationsspécifiques. YNOPSIS The induction lamp systems make use of a revolutionarytechno- logy of light generation by combining basic principles of electro- magnetic induction and low pressure gas discharge.This paper relatesthe operating principle, electricandphotometricfeatures- exceptional long lifeand colour characteristicsof today's modern fluorescent lamps - and electromagnetic compatibility of the Philips QL lamp. Some specific applications are presentedas a conclusion. REE N, Mars 2005 R,'e " " ii : fuCf,-iI ; : " « J' fJ t : L'ECLAIRAGE (2'mE PARTIE) 1 ['i '. t - : Oâ noyau dE ilovau d- bobine ,-e r- - Le 3 i t (, n- , , t,Db iie léLall*-q,-e c a L - e, câble - : ----\....,...-L bride de montage v 1 \ " Il 1 /, 1Il-//1, \ i \\ \ 7 -F- " ilr11i il 1 reseau a"l Figt (re 3 Fioure 2 10 M M M E Ë 'QJ QJ 4 U QJ P, Uj tome de mercure 254 tirii , UV v : slb ! e 185 [) [il 2 9.-, - 13 3 6 51 - 0,5 Mercure basse pression Ï36 546 577 UVlrescentE . 1ll02'PSCC':Ité 200 300 400 500 Longueur d'onde 600 pilotons curede T visibles cure' cure i " -,Pr uv poudre /..'\ u... f luoresce . 8../ .. s / Figitt-e 4 et 5 La figure 3 présente le résultat du courant circulant c 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 CI lampe. . Ce champ magnétique H induit à son tour un champ électrique E en quadrature avec H. . Si des électrons libres sont présents (après l'amor- çage 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 À leur tour, les photons UV excitent la poudre fluorescente déposée sur la face interne de l'am- poule qui émet des photons visibles (voir figure 5). RE [-'. REE No' Mars2005 La lampe à induction réseau redresseur 1 1 générateur HF (2,65 MHz câble coaxial plasma charge électrique Figure 6 2.2. Schéma électrique du système La figure 6 présente le circuit électrique simplifié du système QL. 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 c réglé sur l'impédance du câble coaxial connecté à l'antenne. 2.3. 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. Il Il Il Il (/Il --l --I- Figvre 7 2.4. 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. Cela implique l'utilisation d'un amalgame de mercure (amalgame n ZD principal), au lieu de mercure pur comme dans le cas des tubes fluorescents. Mais, en gênéral, 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 lampe, un deuxième amalgame de com- position différente et situé à proximité de la décharge, est utilisé. Le flux lumineux nominal est ainsi obtenu en 6 secondes environ (voir figure 9). c La tension de vapeur du mercure qui conditionne l'efficacité lumineuse de la lampe est fonction de la tem- pérature 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. w -il- - poudre fluorescente cavité amalgame auxiliaire amalgame principal Figure 8 REE No 3 Mars 2005 . RePères) L'ECLAIRAGE (2Ëm PARTIE) ru = cu m oe co ru '0 M 1 2a 120 /S t Ô y N y y /N Q. M f 'S J ? Lj f0 ? 1 0 x 20 x r, o, m v ao y t u m É N H 0 TO É ' L1 0 0.01 0'l 1 10 100 Flux lumineux en valeurs relatives toD 100 flux lumineux H 70°a 2 h i0, 80°. t- i -r t00 % E 70% v v t H9 70% p 50% S /.'\/ -.-100% m G n -Hg 50% o amalgameBiIn/Hg 15 15 ioo 126 150 G 25 50'S -.00 t25 t50 en Oc C 25 50 75 -00 -) 25 150 t.e'npëra' :ure en c Figl (i-e9 Figlire 10 3. Caractéristiques 3.1. 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. lm 6600- -110 Vol v 5400/.` p 90 ·ü 5400- p -90 w 80 4800- w....'u -70 4200 - 3600- -60 sooo so N 3000 -50 2400 -W 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 température de l'amalgame principal en'C Figure Il Qualité de la lumière émise : . Trois températures de couleur sont disponibles selon les poudres fluorescentes utilisées : 2700, 3000, 4000 K. 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 %. 3.2. 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 (< 1,6 MHz) et ondes courtes (> 4 MHz). Malgré cela, l'utilisa- tion 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 : . Conduites : - Harmoniques : 0 - 2 kHz EN 61 000-3-2 - RF - 9 kHz - 30 MHz fi EN 55015. Rayonnées : - Champ magnétique H : 9 kHz - 30 MHz EN 55015. - Champ électrique E : 30 MHz - 1000 MHz fi EN 55022 Classe B. 2) Exigences d'immunité du luminaire à des pertur- bations électromagnétiques extérieures : EN 61547. La figure 12 montre des spectres d'ondes électroma- gnétiques typiques d'un système QL intégré dans un luminaire. 4. Applications Malgré un coût relativement élevé à l'achat de luminaires équipés de lampes à induction, il reste finan- cièrement intéressant d'utiliser de telles sources en regard des faibles consommations d'énergie et surtout des économies réalisées sur le relamping. REE No 3 Mars 2005 La lampe à induction Quasi peak Measurement Limit : EN55015 120' (2 6 100 106 < \ m ao t as a go 86 a 60 66 a \ i I 1 1 \ I I _ do d6 U I\ 46 .S !J t '" t 40 `c 20 26 40'i 46 J ! i "J 1 1 h ! 20 20 20 oi.0.10'50 2.65 5o 10 30 FreqnnyIMHZJ Champ magnétique rayonné > m m 9 m o Average Measurement Litrit E\ 55015 zo 120 100 1 1 1 ) t 1 80 1 ! t ! * quspea 1 \ - lf--, _quasi Peak, 60 " " r-t-- average 40 - - - -- _r - 20 L 40 0 1 - f 20 zo 0 zo .01 05 10 50 2,65 5,0 1 () Frequency iMHzJ Interférences conduites Figure 12 Les domaines d'applications sont : 'éclairage général intérieur ; en particulier les salles de grande hauteur, 'éclairage extérieur : éclairage public, tunnel, rési- dentiel. 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). MW il,e ` aI ". :' : r...'. a u e u ÉricRoauxétaitingénieurchercheuraux Laboratoires d'Électronique et de Physique Appliquée. Il était responsable du laboratoire de recherche de la Compagnie des Lampes, du développement des lampes pour l'automobile à l'usine Philips de Chartres et des services techniques de Philips Eclairage. Ilest également expert AFE. I y --. \. ra " ""'- " " "''è.. ,<[ " <'1' Photo B n r- Photo C REE No 3 Mars2005