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Caractéristiques électriques des lampes

De Guide de l'Installation Electrique

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Sommaire

Lampes à incandescence

Lampes à incandescence à alimentation directe

En raison de la température très élevée du filament en cours de fonctionnement (jusqu'à 2500 °C), sa résistance varie dans de grandes proportions suivant que la lampe est éteinte ou allumée. La résistance à froid étant faible, il en résulte une pointe de courant à l'allumage pouvant atteindre 10 à 15 fois le courant nominal pendant quelques ms à quelques dizaines de ms.

Cette contrainte concerne aussi bien les lampes ordinaires que les lampes à halogène : elle impose de réduire le nombre maximal de lampes pouvant être alimentées par un même dispositif tel que télérupteur, contacteur modulaire ou relais pour canalisations préfabriquées.

Lampes à halogène à très basse tension

  • Certaines lampes à halogène de faible puissance sont alimentées en TBT 12 ou 24 V, par l'intermédiaire d'un transformateur ou d'un convertisseur électronique.

    Lors de la mise sous tension, au phénomène de variation de résistance du filament, s'ajoute le phénomène de magnétisation du transformateur. Le courant d'appel peut atteindre 50 à 75 fois le courant nominal pendant quelques ms. L'utilisation d'un gradateur placé sur l'alimentation réduit significativement cette contrainte.

  • Les convertisseurs électroniques, à puissance égale, sont d’un coût d’achat plus élevé que les solutions avec transformateur. Ce handicap commercial est compensé par une plus grande facilité d’installation car leur faible dissipation thermique les rend aptes à une fixation sur un support inflammable.

    Il existe maintenant de nouvelles lampes TBT à halogène avec un transformateur intégré dans leur culot. Elles peuvent être alimentées directement à partir du réseau BT et remplacer des lampes à incandescence normales sans aucune adaptation.

La variation de la luminosité

Elle peut être obtenue par variation de la tension appliquée à la lampe.

Cette variation de tension est réalisée le plus souvent par un dispositif du type gradateur à triac dont on fait varier l’angle d’amorçage dans la période de la tension réseau. La forme d’onde de la tension appliquée à la lampe est illustrée sur la Figure N38a. Cette technique dite "à retard d’allumage" ou "cut-on control" convient à l’alimentation des circuits résistifs ou inductifs. Une autre technique qui convient à l’alimentation des circuits capacitifs est développée avec des composants électroniques MOS ou IGBT. Elle réalise la variation de tension en bloquant le courant avant la fin de demi-période (cf. Fig. N38b) aussi est-elle dénommée "à avance d’extinction" ou "cut-off control".

La mise sous tension progressive de la lampe permet également de réduire, voire d’éliminer la pointe de courant à l’allumage.

Comme le courant dans la lampe est découpé par l'électronique de commande, le taux de distorsion en courant est élevé et donc des courants harmoniques circulent sur le réseau.

Le courant harmonique 3 est prépondérant; la Figure N39 représente le pourcentage de courant d'harmonique 3 par rapport au courant fondamental (en fonction de la puissance).

Il est à noter qu'en pratique la puissance fournie à la lampe au moyen d'un gradateur peut varier dans une plage de 15% à 85% de la puissance maximale de la lampe.

Conformément à la norme CEI 61000-3-2 (NF EN 61000-3-2) définissant les limites pour les émissions de courant harmonique des appareils électriques ou électroniques dont le courant est ≤  16 A par phase, les dispositions suivantes s'appliquent :

  • pour les gradateurs autonomes d'alimentation de lampes à incandescence, ayant une puissance nominale ≤ 1 kW, aucune limite n'est imposée,
  • dans les autres cas, ou pour des appareils d'éclairage à lampe à incandescence et avec un gradateur intégré ou un gradateur dans une enveloppe, l'intensité maximale de courant d'harmonique 3 permise est 2,3 A.

Fig. N38Allure de la tension fournie par un variateur de lumière à 50% de la tension maximale avec les techniques

Fig. N39Pourcentage d'harmonique 3 du courant en fonction de la puissance fournie à une lampe à incandescence au moyen d'un gradateur électronique

Tubes fluorescents à ballast magnétique

Les tubes fluorescents et les lampes à décharge nécessitent l'emploi d'un circuit de limitation de l'intensité de l'arc. La technologie la plus couramment utilisée est le ballast magnétique qui est une inductance placée en série avec l'ampoule elle-même (cf. Fig. N40).

Cette disposition est la plus couramment utilisée dans les applications domestiques où le nombre de tubes est limité. Aucune contrainte particulière n'est appliquée aux interrupteurs.

Les gradateurs ne sont pas compatibles avec les ballasts magnétiques : l'annulation de la tension pendant une fraction de période interrompt la décharge et, de ce fait, éteint complètement la lampe.

La fonction du starter est double : assurer le préchauffage des électrodes du tube, puis de générer une surtension pour l'amorçage du tube. Cette surtension est générée par l'ouverture d'un contact qui interrompt le courant circulant dans le ballast magnétique (contrôlée par un relais thermique).

Pendant le fonctionnement du starter (env.1 s), le courant absorbé par le luminaire est environ 2 fois le courant nominal.

Fig. N40Ballasts magnétiques

Le courant absorbé par l'ensemble tube et ballast étant essentiellement inductif, le facteur de puissance est très faible (en moyenne entre 0,4 et 0,5). Dans les installations comportant un grand nombre de tubes, il est nécessaire de mettre en œuvre un dispositif de compensation pour améliorer le facteur de puissance.

Pour une installation d'éclairage importante, une compensation avec une batterie de condensateurs est une solution possible, mais le plus souvent cette compensation est intégrée au niveau de chaque luminaire suivant différents schémas (cf. Fig. N41).

Un condensateur de compensation est dimensionné pour que le facteur de puissance global soit supérieur à 0,85. Dans le cas le plus fréquent de la compensation parallèle: en moyenne, sa capacité est de 1 µF pour 10 W de puissance active, pour tout type de lampe. Cette disposition ne permet pas le fonctionnement des variateurs de lumière de type gradateur.

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Schéma de compensation Application Caractéristiques
Sans Domestique Montage unitaire
Parallèle Bureaux, ateliers, grandes surfaces Contraintes sur les interrupteurs
Série Condensateur de tension de service élevée (450 – 480 V)
Duo Evite le scintillement

Fig. N41Les différents schémas de compensation a] parallèle ; b] série ; c] dual série aussi appelé "duo" et leurs champs d'application

Les contraintes de la compensation

Le schéma de compensation parallèle apporte des contraintes à l'allumage de la lampe. Le condensateur étant initialement déchargé, la mise sous tension provoque une surintensité. Une surtension apparaît également, en raison des oscillations dans le circuit constitué du condensateur et de l'inductance de l'alimentation.

L'exemple suivant permet de fixer des ordres de grandeur.

Ensemble de 50 tubes fluorescents de 36 W chacun :

  • puissance active totale : 1800 W,
  • puissance apparente : 2 kVA,
  • courant efficace total : 9 A,
  • courant crête : 13 A.

Avec :

  • capacité totale : C = 175 µF,
  • inductance de ligne (L) (correspondant à un courant de court-circuit de 5 kA = 150 µH.

Courant crête maximal à la mise sous tension :

Ic = V_{max} \sqrt {\frac{C}{L} }= 230 \sqrt{2}\sqrt {\frac{175 \times 10^{-6} }{150 \times 10^{-6} } }=350 A

La pointe de courant théorique à la mise sous tension peut donc atteindre 27 fois le courant crête en fonctionnement normal.

L'allure de la tension et du courant à l'allumage est donnée sur la Figure N42.

Il y a donc un risque de soudure des contacts des dispositifs électromécaniques de commande (télérupteur, contacteur, disjoncteur) ou de destruction des interrupteurs statiques à semi-conducteurs.

Dans la réalité, les contraintes sont en général moins sévères, en raison de l'impédance des câbles.

Fig. N42Tension d'alimentation à la mise sous tension et courant d'appel

L'allumage de plusieurs groupes de tubes fluorescents crée des contraintes particulières. Lorsqu’un groupe de tubes se trouve déjà allumé, les condensateurs de compensation de ces tubes déjà sous tension participent au courant d’appel au moment de l’allumage d’un deuxième groupe de tubes : ils "amplifient" la pointe de courant dans l’interrupteur de commande au moment de l’allumage du second groupe.

Le tableau de la figure N43, issu de mesures, précise l'amplitude de la première pointe de courant, pour différentes valeurs de courant de court-circuit présumé Icc. La pointe de courant peut être multipliée par 2 ou 3, suivant le nombre de tubes déjà en service au moment de la connexion du dernier groupe de tubes :

Un allumage séquentiel par groupes de tubes est malgré tout recommandé pour réduire la pointe de courant dans l'interrupteur général.

Nombre de tubes
déjà en service
Nombre de tubes
connectés
Crête de courant d'appel (A)
Icc = 1,500 A Icc = 3,000 A Icc = 6,000 A
0 14 233 250 320
14 14 558 556 575
28 14 608 607 624
42 14 618 616 632

Fig. N43Amplitude de la première pointe de courant

Les ballasts magnétiques les plus récents sont dits "à faibles pertes". Le circuit magnétique a été optimisé, mais le principe de fonctionnement reste le même. Cette nouvelle génération de ballasts est amenée à se généraliser, sous l'influence de documents réglementaires (Directive Européenne, Energy Policy Act – USA).

Dans ces conditions, l'utilisation de ballasts électroniques est susceptible de se développer, au détriment des ballasts magnétiques.

Tubes fluorescents à ballast électronique

Les ballasts électroniques sont utilisés en remplacement des ballasts magnétiques, pour l'alimentation des tubes fluorescents (y compris les lampes fluo-compactes) et des lampes à décharge. Ils assurent également la fonction de "starter" et ne nécessitent pas de capacité de compensation.

Le principe du ballast électronique consiste à alimenter l'arc de la lampe par un dispositif électronique générant une tension alternative de forme rectangulaire (cf. Fig. N44) avec une fréquence comprise entre 20 et 60 kHz.

L'alimentation de l'arc par une tension à haute fréquence permet d'éliminer totalement le phénomène de papillotement et les effets stroboscopiques. Le ballast électronique est totalement silencieux.

Au cours de la période de préchauffage d'une lampe à décharge, le ballast fournit à la lampe une tension croissante, en imposant un courant quasiment constant. En régime permanent, la tension appliquée à la lampe est régulée, et indépendante des fluctuations de la tension réseau.

L'arc étant alimenté dans des conditions optimales de tension, il en résulte un gain en énergie de 5 à 10% et une durée de vie de la lampe accrue. Par ailleurs, le rendement d'un ballast électronique peut dépasser 93%, alors que le rendement moyen d'un dispositif magnétique n'est que de 85%.

Le facteur de puissance est élevé (> 90%).

Le ballast électronique permet également d'assurer la fonction de variateur de lumière. La variation de la fréquence permet en effet de faire varier l'amplitude du courant dans l'arc et donc l'intensité lumineuse.

Fig. N44Ballast électronique.

Courant d'appel

La principale contrainte apportée par les ballasts électroniques sur les réseaux est le fort courant d'appel à la mise sous tension, liée à la charge initiale des condensateurs de filtrage (cf. Fig. N45).

Dans la réalité, les courants d'appel pour un ensemble de lampes est bien inférieur à ces valeurs, en raison des impédances de câblage. Ordre de grandeur : 5 à 10 In pendant moins de 5 ms.

Contrairement aux ballasts magnétiques, ce courant d'appel n'est pas accompagné de surtension.

Technologie Courant d'appel max. Durée
Redresseur avec PFC 30 à 100 In ≤ 1 ms
Redresseur avec self 10 à 30 In ≤ 5 ms
Ballast magnétique ≤ 13 In 5 à 10 ms

Fig. N45Ordres de grandeur des valeurs maximales de courants d'appel, suivant les technologies employées

Courants harmoniques

Pour les ballasts associés aux lampes à décharge de forte puissance, le courant absorbé au réseau présente un faible taux de distorsion harmonique (< 20% en général et < 10% pour les dispositifs les plus évolués).

Par contre, les dispositifs associés aux lampes de faible puissance, en particulier les lampes fluo-compactes, absorbent un courant très déformé (cf. Fig. N46). Le taux de distorsion harmonique peut atteindre 150%. Dans ces conditions, le courant efficace absorbé au réseau vaut 1,8 fois le courant correspondant à la puissance active de la lampe, ce qui correspond à un facteur de puissance de 0,55.

Fig. N46Forme de l’onde de courant absorbé par une lampe fluo-compacte

Afin d'équilibrer la charge entre les différentes phases, les circuits d'éclairage sont en général connectés entre phases et neutre de manière équilibrée. Dans ces conditions, le fort taux d'harmoniques de rang 3 et multiples de 3 peut provoquer une surcharge du conducteur de neutre. La situation la plus défavorable conduit à un courant neutre pouvant atteindre  \sqrt 3 fois le courant dans chaque phase.

Les limites d'émission d'harmoniques pour les systèmes électriques et électroniques sont définis dans la norme CEI 61000-3-2. Pour simplifier, les limites pour les appareils d'éclairage sont indiquées dans le tableau de la Figure N47 uniquement pour les harmoniques de rang 3 et 5 qui sont les plus prépondérantes.

Rang harmonique Puissance active
d'entrée > 25 W
Puissance active d'entrée ≤ 25 W
une de ces 2 limites s'applique :
   % du courant
fondamental
 % du courant
fondamental
Courant harmonique par
rapport à la puissance active
3 30 86 3,4 mA/W
5 10 61 1,9 mA/W

Fig. N47Courant harmonique maximal toléré

Courants de fuite

Les ballasts électroniques disposent en général de capacités placées entre les conducteurs d'alimentation et la terre. Ces capacités sont responsables de la circulation d'un courant de fuite permanent de l'ordre de 0,5 à 1 mA par ballast. Ceci conduit donc à limiter le nombre de ballasts qu'il est possible d'alimenter par un Dispositif Différentiel Résiduel (DDR).

A la mise sous tension, la charge initiale des ces condensateurs peut provoquer également la circulation d'une pointe de courant dont l'amplitude peut atteindre quelques ampères pendant 10 µs. Cette pointe de courant peut provoquer le déclenchement intempestif de dispositifs mal adaptés.

Emissions haute fréquence

Les ballasts électroniques sont responsables d'émissions conduites et rayonnées à haute fréquence.

Les fronts de montée très raides appliqués aux conducteurs en sortie de ballast provoquent des impulsions de courants circulant dans les capacités parasites à la terre. Il en résulte des courants parasites circulant dans le conducteur de terre et les conducteurs d'alimentation. En raison de la fréquence élevée de ces courants, il y a également rayonnement électromagnétique.

Pour limiter les émissions à haute fréquence, la lampe doit toujours se trouver à proximité immédiate du ballast, de manière à limiter la longueur des conducteurs soumis aux gradients de tension.

Le tableau de la Figure N48 indique les différents modes d'alimentation.

Technologie Standard Autre
Incandescence standard Alimentation directe Variateur de lumière type gradateur
Incandescence halogène
Incandescence halogène TBT Transformateur Convertisseur électronique
Tube fluorescent Ballast magnétique
  • Ballast électronique
  • Ballast + variateur électroniques
Lampe fluo compacte Ballast électronique intégré
Vapeur de mercure Ballast magnétique Ballast électronique
Sodium haute pression
Sodium basse pression
Halogénure métallique

Fig. N48Différents modes d'alimentation

Lampes et luminaires à LED

La technologie d'éclairage à LED présente la particularité d'être la première technologie permettant le développement de solutions appropriées et efficaces pour toutes les applications de l'éclairage fonctionnel, contrairement aux technologies précédentes.

Pour mieux comprendre pourquoi l'utilisation de l'éclairage LED peut entraîner ces gains d'efficacité remarquables, la terminologie de base doit d'abord être expliquée. Ci-dessous la définition des principaux termes utilisés :

  • LED (Light Emitting Diode) - un type de diode à semi-conducteur qui émet de la lumière lorsqu'un courant la traverse. Le matériau semi-conducteur convertit l'énergie électrique en un rayonnement électromagnétique visible (i.e. de la lumière).
  • Composant LED - substrat et unité optique primaire de l'assemblage lumineux. Le but du composant LED est de protéger les semi-conducteurs et de conduire la chaleur produite de la LED vers le système de dissipation.
  • Module LED - Ensemble d'un ou plusieurs composants LED avec des éléments optiques, mécaniques et thermiques.
  • Luminaire à LED - Système complet constitué d'un module LED, un boîtier, un réflecteur optique, le câblage, les connecteurs, un joint d'étanchéité, le système de dissipation de chaleur (radiateur ou ventilateur), et pour la plupart des cas, le convertisseur.
  • Convertisseur (ou Driver) - Dispositif électronique qui peut convertir l'énergie d'un réseau électrique alternatif basse tension en une tension appropriée pour le luminaire LED (tension et courant continus). Le convertisseur peut être interne ou externe à l'appareil d'éclairage. Il peut alimenter un ou plusieurs luminaires. La fonction de gradateur de lumière peut être intégrée dans ce dispositif (commande 1-10 V, DALI - Digital Addressable Lighting Interface, ...).

Fig. N48aUne LED est une petite partie d'un ensemble plus large qui est commercialisé en tant que lampe ou luminaire assemblé

Courant d'appel et courant permanent

A la mise sous tension, un courant transitoire circule dans le luminaire pendant la première seconde, puis se stabilise dès que les conditions normales de fonctionnement sont atteintes. Trois événements fondamentaux transitoires se produisent pendant la phase de démarrage: la charge du circuit d'alimentation, le démarrage du convertisseur, et la mise sous tension du module LED (allumage).

Puis le luminaire atteint son régime permanent.

A la mise sous tension du luminaire, un courant transitoire significatif apparaît (pouvant atteindre jusqu'à 250 fois le courant nominal en fonction des caractéristiques des produits) en raison de la charge de condensateurs de correction du facteur de puissance (qui assurent un facteur de puissance généralement supérieur à 0,9). La durée de ce courant transitoire est inférieure à 1 milliseconde (ms). Le courant à la mise sous tension sera à son plus haut niveau lorsque la commutation s'effectue à la valeur maximale de la tension (égale à sa valeur de crête de 325 V pour un réseau 230 V CA). Lorsque la commutation s'effectue au zéro de tension, le courant d'appel est beaucoup plus faible.

Une fois le courant d'appel passé, il s'écoule un intervalle de temps compris entre 100 ms et 1,5 secondes, pendant lequel le convertisseur est initialisé (mise sous tension des circuits électroniques de commande, par exemple). Le courant absorbé au cours de cette phase est inférieur au courant nominal.

En régime permanent, le courant absorbé par les luminaires à LED n'est pas parfaitement sinusoïdal. La distorsion harmonique totale de courant (THDi) varie entre 10% et 20%. Étant donné que les courants nominaux des luminaires à LED sont faibles, l'impact de ces courants sur la tension du réseau est faible.

Etape 1 : Charge du circuit d'alimentation,
Etape 2 : Démarrage du convertisseur,
Etape 3 : Alimentation du module LED,
Etape 4 : Régime permanent

Fig. N48bIllustration des quatre étapes à la mise sous tension d'un luminaire à LED

Courants de mode commun

Définition: quand un courant circule dans un conducteur sans être totalement compensé par la circulation dans le conducteur de retour, la partie non compensée du courant est appelée courant de mode commun. Un courant de mode commun peut produire un rayonnement qui peut alors entraîner des interférences ou une distorsion.

Dans l'exemple suivant, des mesures ont été effectuées lors de la mise sous tension de 20 luminaires isolés de la terre. Compte tenu de la configuration, le courant de fuite ne peut être rebouclé que par l'intermédiaire du conducteur de protection terre (PE) du câble d'alimentation. Le courant circulant dans ce conducteur à la mise sous tension est présenté sur la Fig. N48c.

Fig. N48cCourant de fuite à la terre à la mise sous tension

Lors de la commutation à une tension nulle (0° de la tension), le courant de fuite est pratiquement nul. La fréquence du courant transitoire est élevée (environ 100 kHz).

En régime permanent, la valeur du courant de fuite mesuré à 50 Hz est d'environ 2 mA pour les 20 luminaires isolés de la terre.