TP PLASMA 2: COMPORTEMENT D’UNE COLONNE POSITIVE BASSE PRESSION ET ETUDE DE SON BILAN ENERGETIQUE

Objectifs du Tp Ce Tp a pour but d’étudier le bilan énergétique d'une colonne positive d’une décharge électrique basse pression hors d'équilibre thermodynamique. Nous profiterons de cette étude pour analyser également les zones proches des électrodes appelées « gaines ». Le système à étudier est une lampe fluorescente similaire à celles qu'on utilise pour l'éclairage domestique. A la fin du Tp, l’étudiant devra être en mesure : - d’expliquer le fonctionnement du starter et d’un ballast, - de donner les avantages et les inconvénients des ballasts ferromagnétiques et électroniques ainsi que leur influence sur l’efficacité lumineuse et la durée de vie d’une lampe, - de faire le bilan énergétique de la colonne positive d’une décharge - de justifier la présence d’instabilités dans la décharge

Liste du matériel 1 lampe fluorescente sans poudre PHILIPS TL-D 18W/83 1 lampe fluorescente avec poudre POLYLUX XL F18W/840 1 ballast ferromagnétique OSRAM SE 118N 1 ballast électronique 4 entrées, 2 sorties, Tridonic ATCO.PC 1/18 T8 Pro 1 câble d’alimentation, 1 autotransformateur, 1 oscilloscope. 2 voltmètres, 1 ampèremètre numériques/analogiques et 1 wattmètre numérique 1 maquette didactique et un phototransistor monté sur la maquette

Manipulation sur la lampe fluorescente blanche Considérons un tube en verre de diamètre externe D=36mm et de longueur L=80cm (fig.1). Chaque extrémité du tube est munie d'électrodes. La décharge qui s'amorcera entre ces électrodes occupera pratiquement la totalité de l'espace interélectrodes.

Figure 1 : Schéma du tube fluorescent en verre

Avant l'amorçage, le tube contient 3 Torr d'argon et une (ou plusieurs) gouttelette(s) de mercure condensée(s) à l'endroit le plus froid de la paroi. Étant donné que même à température ambiante le mercure liquide a une tension de vapeur saturante, une faible quantité de mercure à l'état gazeux existera dans le tube. La pression partielle du mercure, contrairement à celle de l'argon qui reste constante, dépend fortement de la température de la paroi du tube. La figure 2 donne la pression de la vapeur saturante du mercure en fonction de la température de son point de condensation.

Pression du mercure (mTorr)

100

10

1

0.1

-20

0

20

40

60

80

100

Température de la paroi (°C) Figure 2 : Variation de la pression de mercure en fonction de la température de paroi. Le tube est maintenant raccordé, via ses électrodes, à un circuit électrique. Ce circuit alimente le tube avec un courant Iarc. Quelques instants après l’amorçage de l’arc via le starter ou le ballast électronique), une décharge, stationnaire et axialement homogène (à l'exception d'une zone très mince au voisinage de chaque électrode) s'établit dans le tube. Dans les conditions décrites ci-dessus, et étant donné que le seuil d'ionisation du mercure (10.43eV) est plus faible que celui de l'argon (15.76eV), le mercure est le seul élément "actif" de la décharge. Le rôle de l'argon consiste à limiter le libre parcours moyen (distance entre deux électrons) des électrons afin qu'ils puissent exciter et ioniser efficacement le mercure. Les atomes excités de mercure peuvent se désexciter spontanément en émettant des photons à des longueurs d'onde propres à la structure atomique du mercure (émission de raies atomiques). Dans ce type de décharge, la raie du mercure la plus intense se situe dans l'ultraviolet et plus précisément autour d'une longueur d'onde centrale de 254 nm. Ce rayonnement excitera la poudre fluorescente qui recouvre la paroi interne du tube et sera réémis par elle dans un large domaine de longueur d'ondes visibles (lumière blanche).

• Avec le ballast ferromagnétique Dans cette partie, on utilisera le ballast ferromagnétique (fig.3) et la maquette (fig.4). - Brancher le câble de l’alimentation 220V sur le ballast et la maquette pour alimenter le ballast et le phototransistor. - Relier le ballast à la maquette (sortie n°1 du ballast vers n°2 en entrée de la maquette et sortie n°2 du ballast vers n°6 en sortie de la maquette).

Figure 3 : Ballasts ferromagnétique (en haut) et électronique (en bas)

Figure 4 : Platine « lampes fluo »

Figure 5 : Schéma électrique du montage

Etude de la phase d’allumage : - Avant de mettre la lampe sous tension, mesurer à l'aide du thermocouple la température To de la surface du tube clair. En déduire la pression partielle du mercure et la pression totale du gaz. - En utilisant une méthode volt-ampèremétrique, mesurer la résistance Ohmique du ballast ferromagnétique Rb (il ne faut pas que ce dernier soit connecté au reste le circuit). - Brancher le circuit de la décharge. Mettre la lampe sous tension. Relever le courant IStarter qui traverse le starter. Que constatez-vous ? - Sachant que le starter est construit autour d'un bilame et que la capacité joue un rôle de filtre, essayez d'expliquer le fonctionnement et le rôle du starter. Etude du spectre d’émission : - Laisser la décharge se stabiliser pendant 3-4 min. Pendant ce temps, à l’aide d’un petit spectroscope, observez le spectre d’émission de la décharge. Relevez les longueurs d’ondes correspondant aux raies les plus intenses. Quelles sont vos conclusions ? Caractérisation de la décharge : - Observez à l’œil nu la décharge. La partie centrale dite « colonne positive » occupe la majeure partie du volume du tube et est axialement homogène. Cependant, une zone fortement inhomogène apparaît à proximité des électrodes : ce sont les « gaines ». Pour quantifier vos observations, nous utiliserons le phototransistor. - Balader lentement le phototransistor le long de l’axe du tube et tracer la variation de sa réponse en fonction de la distance x de déplacement. Sa réponse correspond à la

luminosité de la décharge que l’on mesurera avec un voltmètre continu relié au phototransistor. On fixera l’origine (x=0) sur l’extrémité du tube. - En utilisant ce tracé, identifier les différentes zones de la décharge et déduisez-en la longueur de la colonne positive. Quelle est la proportion de l’espace inter-électrodes occupée par cette colonne positive ? - Utiliser l’oscilloscope comme appareil de mesure (position AC pour supprimer la composante continue) afin d’observer la variation temporelle de la luminosité de la décharge. - Positionner le phototransistor dans la région de la colonne positive. Quelle est la fréquence du signal ? Mesurer la tension crête et déduire le taux d’ondulation. Quelles sont vos remarques ? - Positionner le phototransistor dans la région de la gaine. Quelle est la fréquence du signal ? Quelles sont vos conclusions ? Etude du bilan énergétique: Une fois la décharge stabilisée : - Observer à l'oscilloscope l'évolution de la forme de la tension et le courant d'arc Varc(t) et I(t). - Mesurer le courant d’arc Iarc. Connaissant le rayon du tube (Cf partie théorique), déterminer la densité du courant J dans ce dernier. - Calculer la puissance électrique apparente, Sin, injectée au système. - Mesurer la chute de potentiel, ΔVb, aux bornes du ballast. Si sa résistance Rb est négligeable (en réalité elle est ~1-2Ω), déterminer son inductance Lb. - Mesurer la tension Varc aux bornes de la décharge. - Calculer la puissance électrique apparente Sarc injectée à la décharge. Une partie de l’énergie électrique injectée dans la décharge est consommée dans les gaines à la proximité des électrodes. Cette consommation d’énergie se traduit par une chute de potentiel ΔVg. Dans le cas d’un tube fluorescent comme celui utilisé dans cette expérimentation, cette chute de potentiel est de l’ordre de Vg=15V. - Essayer de proposer une méthode de mesure de cette quantité. - En utilisant vos mesures, la valeur de ΔVg estimée et les dimensions du tube, calculer le champ électrique axial, Ecp, dans la colonne positive. Quelles hypothèses avez-vous fait pour réaliser ce calcul ? - Déterminer la puissance électrique apparente Scp qui arrive à la conne positive et celle qui est perdue dans les gaines Sg.

- Calculer l’efficacité du système défini par :

ε cp =

S cp S in

× 100%

(1)

- Mesurer la température de la paroi Tp à plusieurs endroits sur la surface cylindrique du tube. En déduire la valeur moyenne de la température ainsi que la pression partielle de mercure et la pression totale correspondantes. - Expliquer qualitativement comment l’énergie injectée dans la colonne positive est dissipée. - Sans éteindre la lampe, modifier la tension Vin (170V et 200V) et après stabilisation, répéter les mesures de ce paragraphe. Tracer Ecp(Vin) et εcp(Vin). • Avec le ballast électronique Couper l’alimentation et remplacer le ballast ferromagnétique par le ballast électronique (respecter le schéma de montage indiqué sur le boîtier du ballast). On utilisera la lampe blanche. Prendre soin de débrancher le starter car le ballast électronique contient son propre starter électronique. Pour cela, retirer les 2 cavaliers. Faire vérifier le montage.

Figure 6 : Schéma du montage avec ballast électronique

Caractérisation électrique de la décharge: - En laissant l’interrupteur sous cache en position ouverte (circuit ouvert), allumer la lampe. Que constatez-vous ? - En laissant l’interrupteur sous cache en position fermée (circuit fermé), allumer la lampe. Que constatez-vous ? Expliquez votre observation.

-

Laisser la décharge se stabiliser 3-4 minutes. Relever alors les valeurs efficaces Iarc et Varc. Calculer la puissance active absorbée par la lampe. Mesurer la puissance apparente Sin à l’entrée du circuit. Calculer le cosφ. Comparer aux valeurs obtenues à celles obtenues avec le ballast ferromagnétique.

-

Observer à l'oscilloscope l'évolution de la tension d’arc Varc(t) et du courant d'arc Iarc(t). Quelle est la fréquence d’alimentation ? Comparer ces courbes à celles obtenues avec le ballast ferromagnétique. Qu’en pensez-vous ?

-

Passer l’oscilloscope en mode XY. Que pouvez-vous dire sur la résistance dynamique de la lampe dans ce contexte ?

-

Mesurer les températures de la lampe (colonne positive et électrodes). Comparer-les à celles obtenues avec le ballast ferromagnétique.

-

Mesurer la tension de sortie du phototransistor placé au centre du tube. Mesurer avec l’oscilloscope la fréquence du signal au même endroit. Déplacer le phototransistor en face de l’électrode. Observez-vous des phases anodique et cathodique comme avant ?

Conclusions sur les types de ballast utilisés: Que pouvez-vous dire sur l’efficacité générale du système quand on passe du ballast ferromagnétique au ballast électronique ?

Manipulation sur la lampe fluorescente en verre transparent -

Reprendre la partie expérimentale avec le ballast électronique. Observez la décharge avec le spectromètre Conclusions sur les deux types de décharges avec un ballast électronique

Electronic ballasts for fluorescent lamps Professional electronic ballast

T8

PC T8 PRO, 18 – 70 W T8 fluorescent lamps

Product description • Average life = 50,000 hours (at max ta. with a failure rate ≤ 0.2 % per 1,000 hours) • Large temperature range (for values see table) • Safety shutdown of defectvive lamps • Automatic start after replacement of defective lamps • For emergency lighting systems as per EN 50172 • Constant luminous flux irrespective of fluctuations in mains voltage • For luminaires of protection class 1 and protection class 2 • For luminaires with F or M and MM as per EN 60598, VDE 0710 and VDE 0711 • Insulation Displacement Connection (IDC) terminal for rapid automatic or manual wiring • Temperature protection as per EN 61347-2-3 C5e

Technical data AC voltage range

198 – 264 V

DC voltage range

176 – 280 V (Lamp start ≥ 198 V DC)

Overvoltage protection

320 V AC, 1 h

Defined warm start

≤ 1.5 s

Operating frequency

≥ 40 kHz

Type of protection

IP20

È

Ordering data Type

Article number

Standards, page 3

For luminaires with 1 lamp

Wiring diagrams and installation examples, page 5

PC 1/18 T8 PRO

22176093

PC 1/30 T8 PRO

22176077

PC 1/36 T8 PRO

22176217

PC 1/58 T8 PRO

22176094

PC 1/70 T8 PRO

22176171

For luminaires with 2 lamps PC 2/18 T8 PRO

22176107

PC 2/30 T8 PRO

22176078

PC 2/36 T8 PRO

22176218

PC 2/58 T8 PRO

22176215

PC 2/70 T8 PRO

22176232

For luminaires with 3 lamps PC 3/18 T8 PRO

22176187

PC 3/36 T8 PRO

22176231

For luminaires with 4 lamps PC 4/18 T8 PRO

22176163

Packaging 234 mm casing: 10 pieces/carton, 630 pieces/pallet Packaging 360 mm casing: 10 pieces/carton, 420 pieces/pallet Packaging PC 1/36 T8 PRO, PC 2/36 T8 PRO, PC 2/58 T8 PRO: 10 pieces/carton, 640 pieces/pallet

Data sheet 01/11-708-12 Subject to change without notice.

www.tridonic.com

1

Electronic ballasts for fluorescent lamps Professional electronic ballast

Specific technical data Lamp Lamp wattage type

Type

Length L

Hole spacing D

Weight

Lamp wattage

Circuit power

EEI

Current at 50 Hz

λ at 50 Hz

220 V

240 V

220 V

240 V

tc point

Ambient temperature ta

For luminaires with 1 lamp 1 x 18 W

T8

PC 1/18 T8 PRO

234 mm

220 mm

0.28 kg

16 W

18.2 W

A2

0.08 A

0.08 A

0.99

0.98

70 °C

-25 ... 60 °C

1 x 30 W

T8

PC 1/30 T8 PRO

234 mm

220 mm

0.28 kg

24 W

28.0 W

A2

0.13 A

0.12 A

0.97

0.96

75 °C

-25 ... 60 °C

1 x 36 W

T8

PC 1/36 T8 PRO

234 mm

220 mm

0.28 kg

32 W

35.0 W

A2

0.16 A

0.15 A

0.98

0.98

75 °C

-25 ... 60 °C

1 x 58 W

T8

PC 1/58 T8 PRO

234 mm

220 mm

0.28 kg

50 W

54.0 W

A2

0.26 A

0.24 A

0.98

0.98

75 °C

-25 ... 50 °C

1 x 70 W

T8

PC 1/70 T8 PRO

234 mm

220 mm

0.20 kg

60 W

65.6 W

A2

0.30 A

0.28 A

0.99

0.98

75 °C

-25 ... 55 °C

For luminaires with 2 lamps 2 x 18 W

T8

PC 2/18 T8 PRO

234 mm

220 mm

0.28 kg

32 W

36.0 W

A2

0.17 A

0.16 A

0.98

0.97

75 °C

-25 ... 60 °C

2 x 30 W

T8

PC 2/30 T8 PRO

234 mm

220 mm

0.28 kg

50 W

56.0 W

A2

0.26 A

0.24 A

0.97

0.96

75 °C

-25 ... 60 °C

2 x 36 W

T8

PC 2/36 T8 PRO

234 mm

220 mm

0.28 kg

64 W

69.8 W

A2

0.32 A

0.29 A

0.99

0.98

75 °C

-25 ... 55 °C

2 x 58 W

T8

PC 2/58 T8 PRO

234 mm

220 mm

0.28 kg

100 W 106.8 W

A2

0.49 A

0.45 A

0.99

0.99

80 °C

-25 ... 50 °C

2 x 70 W

T8

PC 2/70 T8 PRO

360 mm

350 mm

0.32 kg

120 W 136.8 W

A2

0.62 A

0.57 A

0.99

0.99

70 °C

-25 ... 50 °C

For luminaires with 3 lamps 3 x 18 W

T8

PC 3/18 T8 PRO

234 mm

220 mm

0.28 kg

48 W

52.5 W

A2

0.24 A

0.23 A

0.98

0.97

70 °C

-25 ... 60 °C

3 x 36 W

T8

PC 3/36 T8 PRO

360 mm

350 mm

0.31 kg

96 W 106.5 W

A2

0.51 A

0.47 A

0.99

0.98

70 °C

-25 ... 50 °C

234 mm

220 mm

0.28 kg

64 W

A2

0.33 A

0.30 A

0.98

0.97

70 °C

-25 ... 55 °C

For luminaires with 4 lamps 4 x 18 W

T8

PC 4/18 T8 PRO

70.1 W

Data sheet 01/11-708-12 Subject to change without notice.

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2

Electronic ballasts for fluorescent lamps Professional electronic ballast

Standards EN 55015 EN 61347-2-4 EN 61347-2-3 EN 60929 EN 61000-3-2 EN 61547 in accordance with EN 50172 IEC 68-2-64 Fh IEC 68-2-29 Eb IEC 68-2-30 Lamp starting characteristics Warm start Starting time 1.5 sec. with AC and DC operation Cathode heating will be reduced after preheat time AC operation Mains voltage: 220–240 V 50/60 Hz 198–264 V 50/60 Hz including safety tolerance (±10 %) 202–254 V 50/60 Hz including performance tolerance (+6 % / -8 %) DC operation 220–240 V 0 Hz 198–280 V 0 Hz certain lamp start 176–280 V 0 Hz operating range Light output level in DC operation: 100 % Emergency lighting Use in emergency lighting installations according to EN 50172 or for emergency luminaires according to EN 61347-2-3 appendix J. Instant start after mains interruption 0.99 > 0.99 > 0.99 > 0.99 > 0.99 > 0.99 > 0.99 > 0.99 > 0.99 > 0.99

-15...+50 -15...+50 -15...+50 -15...+50 -15...+50 -15...+50 -15...+50 -15...+50 -15...+50 -15...+50

65 65 70 70 65 75 70 75 65 75

19862 19867 19869 19870 19874 19875 19881 19883 22578 22580

GE Lighting is constantly developing and improving its products. For this reason, all product descriptions in this brochure are intended as a general guide, and we may change specifications from time to time in the interest of product development , without prior notification or public announcement . All descriptions in this publication present only general particulars of the goods to which they refer and shall not form part of any contract . Data in this guide has been obtained in controlled experimental conditions. However, GE Lighting cannot accept any liability arising from the reliance on such data to the extent permitted by law. Polylux XLR™ - Eng - August 2004