Les tubes fluorescents


L'éclairage par fluorescence associe la décharge électrique dans un gaz (luminescence) et la production de lumière par la fluorescence. Un corps est dit fluorescent lorsque, frappé par certaines radiations, il les absorbe et restitue des radiations de longueur d'onde égale ou différente.
tube fluorescentréglette porte tube avec starter et ballast
à gauche : tube fluorescent , à droite le porte tube avec le starter et l'inductance ballast

Dans un tube fluorecent, les électrons émis par les électrodes rencontrent sur leur parcours les atomes de mercure. Ils agissent alors sur les électrons périphériques de ce métal à l'état de vapeur en élevant leur niveau d'énergie. Les électrons périphériques ainsi excités à chaque collision retombent ensuite à leur niveau antérieur en libérant des photons. Ces photons étant situés dans l'ultraviolet ne peuvent donner directement de la lumière visible. Les radiations ultraviolettes, dont la longueur d'onde est de 253,7 nm, sont transformées en lumière visible pas les poudres fluorescentes (phosphore) qui tapissent la paroi interne du tube et dont le rayonnement se situe entre 400 et 750 nm.

électron heurtant un atome de mercurecircuit d'alimentation du tube fluorescent

Allumage du tube par ballast ferromagnétique


Lorsque le tube est en phase de démarrage, les éléments métalliques ne sont pas sous forme de vapeur à température ambiante : le mercure est à l’état liquide (points d’ébullition du mercure  +357°C ). Les deux électrodes sont ainsi séparées par un milieu isolant. Le défi est de réussir à faire passer un courant électrique dans ce milieu « isolant » pour démarrer le tube.

Dans le cas du tube fluorescent, le moyen permettant de le faire traverser par un courant électrique est le suivant :
appliquer une tension électrique suffisamment élevée entre les deux filaments-électrodes de chaque extrêmité pour que celle-ci permette le passage d’une quantité suffisante de courant malgré les qualités « isolantes » du milieu. C'est le but de l'allumeur : fournir une tension très élevée pendant un court instant.

Durant le cycle de démarrage de la lampe, le courant électrique qui circule entre les électrodes échauffe l’intérieur du tube à décharge.
Les éléments métalliques (mercure) se vaporisent, et forment au fur et à mesure un milieu gazeux de plus en plus conducteur entre les électrodes.
Mais si le courant n’est pas limité, on se heurte à un cercle vicieux :
La température augmente, les éléments métalliques se vaporisent.
La vapeur métallique rend le milieu gazeux de plus en plus conducteur.
L’intensité du courant électrique augmente, la température continue en conséquence de s’élever… et ainsi de suite jusqu’à ce que le courant devienne trop élevé, ce qui peut aboutir à la détérioration voire la destruction de la lampe.
Il est donc nécessaire de limiter le courant qui traverse la lampe lorsque celle-ci est en régime établi. On pourrait employer une résistance, mais si cette solution est simple, elle a l'inconvénient d'un rendement médiocre puisque la résistane est le siège d'un effet Joule. En lieu et place d'une résistance on emploiera une impédance qui ne dissipe pas d'effet Joule : une inductance aussi appelée dans cette application précise « ballast ».

Constitution du circuit d'allumage d'un tube fluorescent :

A : Le tube fluorescent. Il est rempli d'un gaz dont l'ionisation, conjointement à une couche de matière fluorescente produit la lumière.
B : source de tension alternative 230 V / 50 Hz
C : Le starter
D : Les  deux électrodes du starter
E : Condensaterur d'antiparasitage (non indispensable au fonctionnement).
F : Filaments du tube. Le tube possède quatre bornes, deux à chaque extrémité. Les deux bornes de la première extrémité sont reliées par un filament (analogue au filament d'une ampoule à incandescence). Il en est de même pour l'autre extrémité. L'échauffement de ces filaments prépare le passage du courant dans le gaz du tube et contribue à faire passer le mercure de l'état liquide à l'état gazeux. Voir cette vidéo qui montre la résistance à chacune des extrémités du tube fluorescent.
G : Le ballast est une inductance.


circuit d'allumage
En fermant le circuit des filaments, le starter a pour but d'assurer le chauffage des filaments-électrodes situés aux deux extrêmités du tube, ce qui va chauffer le gaz à l'intéreiur du tube et faciliter son allumage.
vue de l'extérieur d'un starterstarterstarter
Ci-dessus : à gauche un starter enfermé dans son enveloppe, au milieu et à droite deux deux tubes starter sans leur enveloppe.


L'image ci-dessous illustre le fonctionnement du starter :

A : Hors tension, le starter est ouvert.

B : Quand on ferme l'interrupteur, la tension du secteur se trouve appliquée aux bornes du starter, le néon contenu dans le starter (qui s'ionise à partir de 80 V) devient conducteur, le starter s'illumine d'une lueur violette.

C : Le starter allumé, la chaleur dégagée par cette décharge chauffe le gaz qui à sont tour chauffe les électrodes. Celle-ci se déforment et entrent en contact l'une de l'autre. À ce moment la lueur violette du starter disparaît. Le courant qui circule par le starter augmente considérablement. Dans le tube fluorescent, les deux filaments montés en série avec le ballast sont traversés par un courant important ; ils s'échauffent et les filaments-électrodes chauffent le gaz et vaporisent le mercure.

D : Dans le starter, le gaz n'est plus traversé par un courant, il se refroidi. Les électrodes du starter se refroidissent également et reprennent leur forme d'origine en se séparant brutalement. Cette coupure de courant entraîne une forte surtension aux bornes de l'inductance et donc aux bornes du tube d'où l'amorçage de celui-ci. Le courant s'établit alors dans le tube.
La tension aux bornes du tube allumé est d'environ 10 à 40 V. Elle est maintenant insuffisante pour provoquer l'ionisation du gaz néon dans le starter. Si le tube ne s'est pas allumé, la tension aux bornes du starter permet à nouveau une ionisation du néon et un nouveau cycle recommence jusqu'à ce que le tube soit allumé.
allumage du tube grâce au starter


starter au démarrage
Starter illuminé lorsqu'un faible courant passe d'une électrode à l'autre à travers le néon contenu dans le starter


Le rôle du ballast ferro-magnétique (inductance) 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.

allumage du tube fluorescent
Les différentes phases de l'allumage d'un tube fluorescent par ballast électromagnétique et tube starter

Allumage du tube par ballast électronique

Depuis les années 1980 et les progrès de l’électronique (plus précisément des semi-conducteurs), l’ensemble starter+ballast a été intégré dans un unique circuit appelé « ballast électronique ». Il diminue le papillotement, ce qui diminue la fatigue visuelle, en alimentant les lampes sous haute fréquence, de 20 à 60 000 Hz. L'amorçage quasi immédiat du tube par rapport à l'allumage par ballast électronique résulte de deux élèments :
  • les tensions produites (1500V pour l’amorçage à froid et 500V pour l’amorçage à chaud), tension qui sont redescendues entre 50 et 200V en fonctionnement;
  • la haute fréquence des tensions entre 20 kHz et 60 kHz.

D’une manière générale, le ballast électronique intègre les éléments suivants en cascade :
  • Un redresseur monophasé qui, à partir du signal sinusoïdal (230 V / 50 Hz) du secteur, fournit une tension continue à peu près lisse.
  • Un onduleur qui transforme la tension continue lisse en une tension continue variable à haute fréquence (comprise entre 25 kHz et 100 kHz) constituée de créneaux carrés.
rôle du ballast électronique

Avec un ballast mécanique de type dit « classique », le tube est plus long à s'allumer, mais en revanche, le ballast préchauffe le tube via le starter, prolongeant ainsi la durée de vie du tube. Un ballast électronique produit un allumage instantané, ce qui abîme le tube très rapidement, cela étant dû à l'absence de préchauffage (à moins d'avoir un ballast électronique à démarrage programmé).

La partie « onduleur » d'un ballast électronique est étudiée dans le polycopié d'électronique sous le nom de « convertisseur pour tube fluorescent ». Ce montage n'est qu'un exemple, une multitude de montages différents permettent d'arriver au même résultat : transformer une tension continue en une tension variable ou mieux alternative.