Le systéme ‘Variateur de lumiére’ 

Introduction 

Les variateurs de lumiére monophasés connectés au secteur ont connu un fort développement au cours des années quatre vingt gr‚ce à la démocratisation des luminaires d’intérieur à lampe halogéne. D’autre part, leur utilisation pour modifier l’ambiance lumineuse s’est également répandue et ils sont devenus une partie intégrante de la décoration intérieure. Si les variateurs de lumiére sont des montages aujourd’hui éprouvés, les fabricants tentent toujours de les améliorer. Ces améliorations passent notamment par la miniaturisation du systéme afin de l’intégrer aux interrupteurs muraux (variateurs muraux). Le maintien de pertes faibles et la diminution des co˚ts sont alors des contraintes majeures pour le variateur. A ces contraintes s’ajoute la nécessité pour les variateurs de s’adapter au nombre grandissant de charges différentes utilisées dans le grand public. Notre étude s’inscrit directement dans ces préoccupations et porte plus principalement sur les deux premiers points soulevés. Nous allons présenter ici, le principe de fonctionnement des variateurs de lumiére actuellement sur le marché. 

Etat de l’art

 Les variateurs de lumiére 

généralement connectés au réseau sont basés sur le principe de la conversion alternatif/alternatif directe par gradateur [1]. L’énergie fournie à la charge est ainsi contrôlée en faisant varier la durée de conduction de l’interrupteur de puissance. L’interrupteur utilisé doit pour ce faire ‘être bidirectionnel en tension et en courant (il doit être capable de bloquer des tensions positives et négatives et de conduire des courants positifs et négatifs). Le TRIAC (TRIode for Alternating Current) est l’interrupteur statique le plus souvent utilisé dans les variateurs de lumiére faible co˚t (Figure 1-1). Le TRIAC est un interrupteur de puissance bidirectionnel en tension et en courant, commandable à la fermeture et à ouverture spontanée. Il peut ‘tre commodément représenté par l’association en anti-paralléle de deux thyristors commandés par la m’me g‚chette, bien que ce schéma soit légérement éloigné de la réalité physique [2].Dans ce type de variateur, le contrôle de la puissance fournie à la charge est réalisé par modification du retard à l’amorÁage de l’interrupteur. La commande la plus simple est obtenue classiquement en utilisant une capacité, un DIAC (DIode for Alternating Current) et un potentiométre. Le potentiométre permet de faire varier la constante de temps de la charge du condensateur. Lorsque la tension aux bornes de celui-ci dépasse le seuil de déclenchement du DIAC, un courant IG circule dans la g‚chette du TRIAC et l’amorce. Le TRIAC s’ouvre spontanément à la fin de la demi-alternance lorsque le courant circulant dans la charge devient inférieur à son courant de maintien. L’utilisation des TRIAC dans les variateurs de lumiére impose l’utilisation d’une commande par retard à l’amorÁage. Ce type de commande présente l’inconvénient, nous le verrons plus loin, de n »tre utilisable que pour le contrôle des charges résistives ou inductives. En effet, l’amorÁage du TRIAC sur une charge capacitive (lampe CFL, transformateur électronique) ne peut se faire qu’à une tension réseau faible (td≈0ms), sous peine de voir circuler un courant élevé lié à la charge de la capacité lors de l’amorÁage, rapide, du TRIAC. D’autre part, la compatibilité électromagnétique du variateur de lumiére à TRIAC ne peut ‘tre assurée que par l’utilisation d’un filtre secteur assez volumineux. Ce filtre a pour but de lisser les courants et tensions d’entrée du variateur. Dans les variateurs de lumiére plus évolués, les TRIAC sont trés souvent remplacés par des composants à grille isolée (MOS, IGBT) associés deux par deux afin de réaliser l’interrupteur bidirectionnel en tension et en courant (Figure 1-2). Cependant, la chute de tension à l’état passant de l’interrupteur est augmentée puisqu’elle résulte de la mise en série d’au moins deux composants de puissance. Ceci entraÓne une augmentation des pertes. Celle-ci est bien souvent jugulée en utilisant des composants ayant un calibre en courant plus élevé que nécessaire (i.e. une surface active plus importante), ce qui entraÓne une augmentation du prix de la solution.L’interrupteur réalisé étant commandable à l’ouverture et à la fermeture, de nouvelles possibilités de commande s’offrent aux concepteurs. Ainsi, la commande par retard à l’amorÁage déjà utilisée par les variateurs à TRIAC peut ‘tre remplacée par une commande par retard à l’ouverture. Dans celle-ci, l’interrupteur statique est amorcé au zéro de tension secteur et l’instant d’ouverture de celui-ci est commandable (Figure 1-3-b). Cette méthode de commande a l’avantage d’élargir le champ d’application des variateurs de lumiére aux charges à comportement capacitif (lampes à ééconomie d’énergie’ et étransformateurs électroniques’) puisque l’amorÁage se produit pour une tension nulle. L’adaptation du mode de commande de l’interrupteur statique à grille isolée permet à celui-ci de contrôler la puissance fournie à des charges inductives, résistives et capacitives et de réaliser ainsi un variateur de lumiére universel. Ce type de variateur est, malgré sa complexité et son co˚t, de plus en plus utilisé de par le nombre croissant de charges capacitives à commander. D’autre part, nous verrons que l’utilisation de MOS ou d’IGBT permet également de faciliter la gestion de la compatibilité électromagnétique du systéme. Le filtre secteur nécessaire au respect des normes CEM pour les variateurs de lumiére à TRIAC peut ‘tre enlevé, ce qui facilite grandement la réalisation de variateurs de lumiére muraux

Les contraintes CEM des variateurs de lumiére

 Tout systéme électronique mis sur le marché doit satisfaire à une liste de contraintes normatives qui visent à assurer la compatibilité des systémes avec leur environnement et la sécurité de l’utilisateur. Notre étude a porté principalement sur le respect des normes de compatibilité électromagnétique pour les variateurs de lumiére. Nous allons lister ici ces normes, les contraintes qu’elles imposent, les moyens généralement employés pour les satisfaire et les méthodes de mesure utilisées.

Exigences de compatibilité électromagnétique relatives aux variateurs de lumiére

Comme tout systéme électronique, les variateurs de lumiére doivent respecter certaines normes de compatibilité électromagnétique afin d »tre commercialisables sur le marché Européen (marquage ‘CE’). Les normes de Compatibilité Electro-Magnétique (CEM) ont pour but de permettre aux appareils électroniques réunis au sein d’un m’me environnement électromagnétique de cohabiter de maniére harmonieuse. A ce titre, les appareils mis sur le marché doivent ‘tre capables de supporter les perturbations électromagnétiques générées par leur entourage. Ils doivent également générer des niveaux de perturbations électromagnétiques limités afin de ne pas g’ner le fonctionnement des autres appareils. Les normes CEM peuvent donc ‘tre décomposées en deux types : • les normes d’immunité qui définissent les niveaux de perturbations radio-électriques que doivent ‘tre capables de supporter les systémes durant leur fonctionnement ; • les normes d’émission qui définissent les niveaux maximum de perturbations émises par les systémes et acceptables pour leur environnement. Ces normes définissent ces contraintes soit de maniére générale pour un environnement donné (environnement résidentiel, commercial ou industriel), ce sont alors des normes égénériques’, soit pour un type d’appareil spécifique et ce sont alors des normes éproduit’. Dans ce cadre normatif, les variateurs de lumiére doivent répondre aux exigences définies dans les normes produit relatives aux appareils d’éclairage. La norme d’immunité relative aux variateurs de lumiére est la norme NF EN61547 [3]. Celleci définit les niveaux d’immunité des équipements d’éclairage aux décharges électrostatiques (CEI 1000-4-2 [4]), aux champs électromagnétiques radio-fréquences (CEI 1000-4-3 [5]), aux transitoires rapides de tension sur le réseau et aux ondes de choc (CEI 1000-4-4 [6] et CEI 1000-4- 5 [7]). Les niveaux d’immunité fixés par la norme NF EN61547 impliquent, dans le cas du variateur de lumiére, des exigences de robustesse pour l’interrupteur de puissance et ses dispositifs de protection. Les normes d’émission applicables aux variateurs de lumiére sont au nombre de deux : la norme générique EN61000-3-2 et la norme produit EN55015.