Ballast (électricité)
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Le terme de ballast désigne n'importe quel composant électrique utilisé pour réduire le courant dans un circuit électrique.
Un ballast peut prendre la forme d'une simple résistance série comme pour les tube fluorescent de faible puissance. Pour les applications de plus forte puissance, l'énergie dissipée dans la résistance ballast serait trop importante. On utilise alors des condensateurs, des bobines, ou les deux à la fois. L'avantage de ces composants par rapport à une résistance est qu'idéalement leur impédance ne comporte pas de terme résistif et n'amène donc pas de pertes par effet Joule.
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[modifier] Utilisation d'un ballast
Avant l'arrivée des allumages à semi-conducteurs, des résistances ballasts étaient utilisées en automobile afin de régler la tension appliquée au circuit d'allumage.
Dans un tube fluorescent, le rôle du ballast ferro-magnétique est double: il permet de fournir la haute tension nécessaire à l'allumage du tube puis, une fois le tube allumé, il permet de limiter le courant le traversant.
[modifier] Résistance ballast
Le terme de résistance ballast désigne une résistance qui modifie l'état du système. Cela peut être une résistance fixe ou une résistance variable.
[modifier] Résistance fixe
Pour les applications simples tels que les néons faible puissance, on utilise généralement une résistance ballast.
Le terme de résistance ballast s'applique aussi à la résistance utilisée autrefois pour diminuer la tension appliquée au système d'allumages après le démarrage du moteur. La forte charge imposée à la batterie lors du démarrage du moteur engendre une forte baisse de la tension à ces bornes. Afin de permettre au moteur de démarrer, le système d'allumage doit donc pouvoir fonctionner avec cette faible tension. Mais une fois le moteur démarré, la tension fournie par la batterie retrouve sa valeur standard; cette tension pourrait provoquer une surtension du circuit d'allumage. Afin d'éviter cela, une résistance ballast est insérée entre l'alimentation du circuit d'allumage et celui-ci. Parfois, cette résistance ballast casse, le moteur peut alors démarrer (la résistance est court-circuitée) mais calle immédiatement après le démarrage (la résistance est réinsérée dans le circuit).
Les allumages électroniques modernes sont conçus pour fonctionner avec une large plage de tension en entrée rendant ainsi la résistance ballast inutile.
[modifier] Résistance variable
Certaines résistances ballast voient leur résistance interne augmenter quand le courant qui les traverse augmente, et diminuer si le courant diminue.
Physiquement, ces composants sont construits comme des lampes incandescentes. Comme le tungstène du filament d'une lampe classique, si le courant augmente, la résistance de ballast devient plus chaude, sa résistance monte, et sa chute de tension augmente. Si la tension diminue, la résistance ballast refroidit, sa résistance chute, et la chute de tension diminue.
Par conséquent, ce type de résistance ballast tend à maintenir le courant qui la traverse constant, en dépit des variations de tension appliquée ou des changements du reste du circuit électrique.
Cette propriété permet un contrôle plus précis du courant qu'avec une résistance ballast de valeur fixe. La perte de puissance dans le ballast est minimisée car la résistance présentée est plus faible que celle d'un ballast à résistance fixe.
Autrefois, certains sèche-linge étaient dotés d'une lampe germicide en série avec une lampe incandescente ordinaire; la lampe incandescente servant de ballast à la lampe germicide. Pour la même raison, certaines lampes à vapeur de mercure de conception ancienne possèdent un filament de tungstène classique.
[modifier] Inductance
A cause de la puissance dissipée par effet joule, on n'utilise plus les résistances ballast dès que la puissance à fournir dépasse 1 ou 2 Watt. Pour les puissances plus importantes, on utilise donc des inductances. Une inductance parfaite ne générant pas de pertes par effet joule, elle limitera donc le courant sans générer de baisse du rendement. En réalité, une inductance possède une résistance interne : Donc les pertes par effet joule sont minimisées mais non éliminées.
L'inconvénient des inductances ballasts est qu'elles déphasent le courant par rapport à la tension, dégradant ainsi le facteur de puissance. Afin de compenser cet effet, les ballasts haut de gamme associent un condensateur à l'inductance, celui-ci déphasant à l'inverse le courant rétablissant ainsi le facteur de puissance global de l'appareillage.
[modifier] Utilisation avec une lampe fluorescente
Dans un tube fluorescent, le rôle du ballast ferro-magnétique est double : il permet de fournir la haute tension nécessaire à l'allumage du tube puis, une fois le tube allumé, il permet de limiter la tension à ses bornes.
Les éléments entrant en jeu sont :
- Le tube fluorescent. Il est rempli d'un gaz dont l'ionisation, conjointement à une couche de matière fluorescent produira la lumière. Il possède quatre pôles, deux à chaque extrémité. Les deux pôles de la première extrémité sont reliés par un filament électrique. Il en est de même pour l'autre extrémité. L'échauffement de ces filaments prépare le passage du courant dans le gaz du tube.
- Le ballast est une inductance.
- Le démarreur est un dipôle électrique qui se comporte comme un interrupteur. Au départ n'est pas conducteur. Il devient conducteur pendant une courte durée, lorsqu'on lui applique une tension supérieure à une tension t1 (c'est le cas lorsqu'on le branche au secteur). Il est isolant lorsqu'on lui applique une tension inférieure à une tension t0 (c'est le cas lorsqu'un courant traverse le ballast avec lequel il est monté en série). Pour obtenir cet effet, le démarreur contient un gaz, qui à la tension t1 s'ionisera et laissera passer un très faible courant. Cette ionisation réchauffe un bilame qui finit par se fermer, rendant le démarreur conducteur. Une fois le bilame fermé, le gaz cesse d'être ionisé et le bilame finit par se rouvrir en refroidissant. En dessous de t0, la tension n'est pas suffisante pour ioniser le gaz.
Le ballast est en série avec le tube, tandis que le démarreur est en parallèle avec le tube (voir figure).
Un cycle d'allumage peut se découper en trois étapes:
- Première étape
Lors de la mise sous tension, aucun courant ne traverse le circuit, et la tension du réseau se trouve rapportée aux bornes du démarreur. La présence de cette tension aux bornes du démarreur ionise le gaz présent dans le démarreur. Cette ionisation réchauffe le bilame présent dans le démarreur, qui finit par se fermer.
- Seconde étape
Une fois le démarreur en position fermée, un courant circule à travers les électrodes du tube, réchauffant ainsi le gaz se situant à leur proximité. Pendant ce temps, le gaz présent dans le démarreur n'étant plus ionisé, le bilame du démarreur se refroidit au point de redevenir ouvert.
- Troisième étape
L'interruption brutale du courant dans la bobine ballast, entraîne une forte surtension. Cette surtension est susceptible d'allumer le tube en ionisant suffisamment le gaz qu'il contient pour qu'il puisse rester durablement conducteur. Si tel est le cas, le tube et le ballast continuent d'être traversés par un courant. Le ballast limite alors la tension (loi d'Ohm), aux bornes du tube. La tension aux bornes du démarreur n'est plus suffisante pour provoquer la fermeture de celui-ci. Le cycle d'allumage est terminé.
Si le tube fluorescent n'est pas allumé à la fin du cycle de démarrage, le cycle recommence depuis la première étape. Le gaz présent dans le tube est plus chaud que lors du début du cycle précèdent, le nouveau cycle a plus de chance d'aboutir à l'allumage du tube.
[modifier] Ballast électronique
Un ballast électronique utilise un circuit à semi-conducteur afin de fournir un démarrage plus rapide tout en pouvant alimenter plusieurs lampes. En général, les ballasts électroniques augmentent la fréquence de travail à 20kHz ou plus afin d'éliminer les clignotements à 100 ou 120Hz (deux fois la fréquence d'alimentation). De plus, le rendement des lampes fluorescentes augmente de 9% aux environs des 10kHz puis continue à augmenter lentement jusqu'à 20kHz. L'augmentation de la fréquence permet donc d'augmenter le rendement énergétique de l'ensemble lampe-ballast.
- (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu d’une traduction de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Electrical ballast ».
