Les ballasts électroniques

Les ballasts électroniques remplacent l'ensemble ballast ferromagnétique – amorceur – condensateur pour l'alimentation des lampes à décharge. L'intérêt d'utiliser ce type de dispositif d'alimentation réside dans le fait que la fréquence d'alimentation de la lampe est augmentée à quelques dizaines de kHz par rapport à la fréquence du réseau basse tension (50 Hz), en fonction de la technologie utilisée. En effet, en haute fréquence le gaz dans le tube ne peut pas se déioniser entre deux périodes. Cela se traduit par une meilleure efficacité, une durée de vie plus longue et la disparition du phénomène de flicker. En même temps, l'inductance permettant de fournir la tension d'amorçage de la lampe est moins encombrante, diminuant ainsi les pertes Joule.

Cependant, la solution électronique est beaucoup plus complexe que la variante classique d'alimentation et impose un investissement initial élevé. A cause du fonctionnement en haute fréquence, ces luminaires produisent des champs électromagnétiques qui pourraient perturber la santé et l'environnement. Elles génèrent d'importants rayonnements radioélectriques (gêne pour les équipements de radiocommunication). Par exemple, contrairement aux ampoules classiques, les champs produits par les lampes fluocompactes allumées détectés à 20cm atteignent entre 4 et 180V/m pour des puissance allant de 11 à 20 Watts. Ce n'est qu'à une distance d'un mètre qu'on retrouve une valeur de 0,2 V/m, (la norme imposant 28V/m maximum). A ce jour, il est donc déconseillé d'utiliser ces lampes en tant que lampes de chevet ou de bureau.

On distingue deux types de ballasts électroniques, le ballast LPF (Low Power Factor = faible facteur de puissance) généralement utilisé pour les lampes et le ballast HPF (High Power Factor = forte facteur de puissance) utilisé pour les tubes fluorescents et les lampes à décharge haute pression.

Les ballasts HPF ont un facteur de puissance proche de 1, grâce à leur correction intégrée et leur redressement de type sinusoïdal. Cette correction, peut être de type passive (self de choc à l'entrée du ballast) ou active (convertisseur de type boost dans l'étage redresseur). Pour les ballasts LPF utilisés en nombre très important, une compensation globale du facteur de puissance de type filtrage est nécessaire au niveau du réseau électrique.

Le schéma de câblage est donné à la figure suivante.

Le schéma de principe d'un ballast électronique pour l'alimentation des lampes à décharge est montré dans les 2 figures suivantes.

Les principales parties constitutives d'un ballast électronique sont :

* le filtre CEM d'entrée;

* l'étage redresseur (avec ou sans circuit de correction du facteur de puissance);

* le condensateur de lissage de la tension redressée;

* l'étage onduleur (demi-pont capacitif).

Le ''filtre d'entrée'' est utilisé pour atténuer l'interférence électromagnétique générée par les étages haute fréquence du ballast. Il protège aussi le ballast contre d'éventuels phénomènes transitoires du réseau.

Le ''redresseur'' consiste en un pont de diodes et un condensateur de filtrage de la tension au niveau du bus continu. Ce type de conversion est caractérisé par un facteur de puissance très faible et donc des perturbations harmoniques sont attendues notamment en harmonique 3.

L'étage haute fréquence consiste en général en un ''onduleur en demi-pont capacitif''. Ce dernier permet l'alimentation de la lampe en haute fréquence et l'inductance en sortie de l'onduleur permet de limiter de courant dans la décharge.

Le dernier sous-système, celui dédié au ''contrôle du ballast'', est composé de système qui permettent d'injecter le courant correspondant pour chaque phase de fonctionnement de la lampe. Le système de contrôle peut être soit un système simplifié soit composé par des systèmes très complexes basés sur des microprocesseurs en fonction du type de ballast et de lampe.

Si des équipements de filtrage ne sont pas utilisés, la non-linéarité du ballast électronique introduit dans les réseaux électriques des perturbations harmoniques importantes. En effet, pour les équipements d'alimentation des lampes avec une puissance nominale supérieures à 25W, la ''correction du facteur de puissance'' est recommandée.

Deux types de solutions sont donc utilisées pour la correction du facteur de puissance : passives et actives.

Une des solutions de filtrage passif consiste en l'utilisation d'une inductance de valeur très importante à la sortie du redresseur et d'un condensateur en parallèle par rapport à la source de tension. Le facteur de puissance peut ainsi monter jusqu'à 0.95. Ce type de solution est robuste et économique. Cependant, la taille et le poids de ces solutions sont des éléments qui plaident en leur défaveur.

La solution active consiste en l'utilisation de redresseurs à prélèvement sinusoïdal. Deux solutions sont possibles :

# la première, plus utilisée, est le redresseur à diode couplé à une hacheur élévateur

# la seconde consiste quant à elle en un onduleur de tension à facteur de puissance unitaire.

Ces deux solutions permettent une extraction de l'énergie du réseau via des courants sinusoïdaux.

Le redresseur à diode couplé au hacheur élévateur possède deux étages de commande. Le contrôle interne a pour tâche de poursuivre un courant sinusoïdal redressé dont la phase est celle du réseau et dont l'amplitude est fournie par la boucle externe de réglage de tension du bus continu. La solution à base d'onduleur de tension est similaire avec toutefois une différence sur le courant poursuivi qui est cette fois-ci purement sinusoïdal.

Le redresseur à diode couplé au hacheur élévateur possède un asservissement du courant dans la bobine (iL) et de la tension de sortie du redresseur (Vs). Vu de la source, le convertisseur doit se comporter comme une résistance : i1 est sinusoïdal, en phase avec e1 (cos ϕ = 1). Par commande du transistor T, la régulation force iL à suivre une consigne de courant du type sinusoïdal redressé double alternance. De ce fait, nécessairement, la forme de i1 est sinusoïdale et en phase avec e1. De plus, pour maintenir en sortie la tension Vs à sa valeur nominale, la régulation agit sur la valeur moyenne de iL.
Un exemple de redresseur à diode couplé à une hacheur élévateur est donné ci-dessous :

Le ballast électronique rend la fréquence du signal électrique (courant et tension) aux bornes de la lampe en régime permanent et en régime de préchauffage bien plus élevée que celle de réseau (50Hz). En effet, l'alimentation de la lampe par une tension à haute fréquence permet d'éliminer le phénomène de papillotement et les effets stroboscopiques.

Le courant en régime de préchauffage est en retard sur la tension aux bornes de la lampe et que le courant en régime permanent est en phase avec la tension aux bornes de la lampe.

Les ballasts électoniques disposent de condensateurs antiparasitage responsables de la circulation d'un courant de fuite permanent de l'ordre de 0,5 à 1mA par ballast. Ceci conduit à limiter le nombre de ballasts qu'il est possible d'alimenter par un Dispositif Différentiel à courant Résiduel (DDR). A la mise sous tension, la charge de ces condensateurs peut provoquer également la circulation d'une pointe de courant dont l'amplitude peut atteindre quelques ampères ce qui peut provoquer le déclenchement intempestif.