Blog - NOS MARCHÉS - Utilisation de nos relais statiques pour les applications d’éclairage
Les lampes d’éclairage sont utilisées aussi bien dans les espaces intérieurs, extérieurs et dans les bâtiments publics. Ces charges peuvent être inductives ou capacitives, selon la technologie d’éclairage utilisée. L’éclairage par lampes à incandescence et fluorescentes est principalement inductif, tandis que l’éclairage LED peut être inductif ou capacitif.
Les technologies d’éclairage ont évolué rapidement ces dernières années, tout comme le circuit de commande associé. Les lampes à incandescence fournissaient autrefois la grande majorité de l’éclairage résidentiel, mais les LED, les ampoules fluorescentes compactes et les ampoules halogènes sont désormais de plus en plus courantes.
Avant que l’électronique haute puissance ne soit disponible, plusieurs approches étaient utilisées pour piloter les lampes. La gradation de la lumière était généralement limitée aux grandes installations telles que les théâtres en raison de la taille et du coût de l’équipement requis. En outre, de nombreux concepteurs de systèmes sont confrontés aux défis inhérents à la conduite de charges de nature inductive ou capacitive, car elles présentent des défis thermiques spécifiques à la fois à l’activation et à la désactivation. De plus, à mesure que les charges telles que les LED deviennent plus courantes, elles introduisent d’autres défis spécifiques tels que le diagnostic et la fiabilité, qui doivent être résolus lorsqu’elles sont utilisées comme charge externe dans un système.
Les relais statiques sont l’une des briques technologiques utilisées dans les systèmes d’alimentation et de contrôle de l’industrie de l’éclairage, de l’évènementiel ou du bâtiment.
Cet article de blog vous explique comment contrôler ces charges avec des relais statiques et donne des exemples d’installations d’éclairage dans lesquelles les relais statiques sont utilisés.
Dans un premier temps, afin de vous permettre la sélection appropriée du type de relais statique à utiliser, nous vous présentons les différentes technologies d’éclairage ainsi que leurs spécificités à prendre en compte pour une installation optimale.
Ensuite, en analysant des cas d’usage concrets, vous constaterez que dans les applications d’éclairage, les relais statiques sont utilisés pour allumer ou éteindre les lumières. De par leur conception, les relais statiques permettent d’effectuer un très grand nombre d’opérations de commutation. Cette particularité les rend bien adaptés aux applications d’éclairage.
La lumière peut être produite à partir de l’énergie électrique selon 2 principes : l’incandescence et l’électroluminescence.
Les ampoules à incandescence fonctionnent en chauffant un mince filament jusqu’à ce qu’il brille. Le filament est généralement constitué de tungstène, qui a un point de fusion très élevé et peut résister aux températures élevées générées par l’ampoule. La luminosité de la lumière dépend de la température du filament, qui elle-même est contrôlée par la quantité de courant qui le traverse.
La luminescence désigne l’ensemble des phénomènes physiques dont la production lumineuse n’est pas d’origine thermique. La lumière émise résulte d’interactions entre particules électriquement chargées. Il existe de nombreux types de luminescences tels que l’électroluminescence, la décharge, la photoluminescence, cristalloluminescence, etc….
Le phénomène d’émission peut être visible ou quasi-visible (ultraviolet, infrarouge).
Technologies de lampes les plus couramment utilisées :
Ce sont historiquement les plus anciennes.
Un filament métallique émet la majeure partie de son rayonnement dans le domaine des infra-rouges, mais plus sa température croit, plus le spectre se déplace dans le domaine du visible
La lampe à filament (ou lampe à incandescence) éclaire lorsqu’elle est soumise à un courant électrique. Le courant électrique chauffe le filament de tungstène qui est alors porté à incandescence à une température d’environ +2500°C en générale. Le filament est encapsulé d’une enveloppe en verre (ampoule) sous vide d’air ou sous gaz neutre (azote et argon, krypton), supprimant ainsi le comburant et permettant au filament de ne pas prendre feu.
Leur durée de vie est environ 1000 heures. Depuis 2009, elles ont été progressivement interdites à la vente en Europe.
Elles sont également constituées d’un filament tungstène mais sont remplies d’un composé halogène (iode, Brome ou fluor) et d’un gaz inerte (krypton ou xénon). Ce gaz favorise la régénération du filament et donc augmente la durée de vie et évite leur noircissement. Il permet également une température de filament plus élevée et donc une plus grande luminosité dans des ampoules de plus petites tailles. Cette température plus élevée (2900-3000°C) permet d’émettre de la lumière plus intense et plus blanche.
Leur durée de vie est environ 2000 à 4000 heures.
Le principe est qu’une décharge électrique provoque l’entrée en collision des électrons avec les ions de la vapeur de mercure, entrainant un rayonnement ultraviolet dû à la dynamisation des atomes de mercure. Le matériau fluorescent transforme ensuite ce rayonnement en lumière visible, on parle alors de « couleur corrigée ».
Le tube fluorescent contient généralement de l’argon en tant que gaz d’emprisonnement et du mercure sous basse pression en tant que gaz de travail.
La couleur émise par le tube fluorescent dépend de la poudre appliquée sur les parois du tube. Sa constitution varie selon les fabricants, elle peut contenir de l’aluminium, du baryum, du terbium, du strontium, du calcium, du manganèse ainsi que du lanthane.
Leur principal avantage a longtemps été d’être bien plus économiques que les lampes incandescentes, de par leur rendement lumineux et durée de vie. Les tubes fluorescents sont très utilisés pour éclairer les locaux grand public (espaces de travail, hôpitaux, centres commerciaux ….). En extérieur ils sont très utilisés dans des lieux semi-abrités.
Toutefois les tubes fluorescents sont de moins en moins installés au profit des tubes LEDs qui sont moins énergivores et permettent un allumage instantané
Elles ont été développées pour remplacer les lampes incandescentes car elles offrent d’importantes économies d’énergie et une durée de vie plus élevée (de 8000 à 20000 heures).
Les lampes fluocompactes standards mettent un peu plus de temps à s’allumer.
Les lampes fluocompactes à induction démarrent rapidement grâce à leur électronique qui remplace le starter et ballast, le nombre de commutation n’affecte pas leur durée de vie.
Une lampe à décharge est une lampe électrique constituée d’un tube ou d’une ampoule en verre remplie de gaz ou de vapeur métallique, sous haute ou basse pression, au travers duquel on fait passer un courant électrique, il s’ensuit une conversion en photons, donc en lumière. Une lampe à décharge fonctionne sur le principe de la luminescence. Le grand avantage des lampes à décharge par rapport aux lampes à incandescence est leur durée de vie car elles ne contiennent pas de filament.
De plus les lampes à décharge produisent environ 75% de chaleur en moins par rapport à une ampoule à incandescence car elles n’utilisent pas de résistance pour émettre de la lumière. Cela se traduit également par des économies d’énergie et contribue également à maintenir la pièce dans laquelle elles se trouvent à une température plus fraîche.
La lampe à vapeur de sodium sous basse pression ou LPS (Low Pressure Sodium) sont principalement utilisées pour l’éclairage des tunnels, autoroutes et voies publiques.
Il existe aussi des Lampes à vapeur de sodium haute pression. En effet, augmenter la pression du gaz permet de diversifier le rayonnement ; sous haute pression, la vapeur de mercure émet toujours une grande quantité de rayons ultra-violets mais également environ 30% de lumière visible dont des rayons bleus et verts.
Les lampes à décharge sont également de moins en moins utilisées au profit de technologies plus récentes comme les LEDs.
La lampe aux halogénures métalliques peut également être appelée lampe MH (Metal Halide) ou lampe à iodures métalliques. Cette dernière émet une lumière blanche et vive.
La température de couleur dépend des iodures métalliques présents. La lumière émise est en majeur partie sous forme de rayonnement visibles mais une petite partie est émise sous forme de rayons ultraviolets. Ces lampes sont utilisées pour l’éclairage des stades, éclairage publiques, locaux commerciaux et projecteurs.
« LED » signifie diode électroluminescente. Une lampe LED produit de la lumière en faisant passer le courant électrique à travers un matériau semi-conducteur, la diode, qui émet ensuite la lumière grâce au principe d’électroluminescente.
La nature des matériaux des semi-conducteurs conditionne la longueur d’onde et donc la couleur émise.
L’avantage des LEDs est leur faible consommation d’énergie. De ce fait elles fonctionnement à très basse température, ce qui permet une très longue durée de vie.
Les alimentations des LEDs sont classées en 2 types :
Un gradateur de lumière est une unité de contrôle qui fait varier le niveau d’éclairage de 0 à 100 % de la puissance lumineuse.
La gradation est réalisée en faisant varier la tension entrante de la lumière. Les gradateurs dépendent du type de lampe de votre installation. En effet il n’est pas possible d’utiliser le même système de gradation pour des lampes fluorescentes et des lampes à incandescence ou halogènes.
Les principales caractéristiques des lampes à décharge à prendre en compte avant de choisir le relais statique approprié sont les forts courants d’appel et les surtensions.
Le courant d’appel se définit par la montée d’énergie qui se produit lorsque vous allumez la lampe pour la première fois. Ce courant d’appel est plusieurs fois supérieur au courant nominal pendant le fonctionnement.
De plus, les réseaux électriques sont composés de charges capacitives et inductives qui génèrent des surtensions transitoires pouvant atteindre plusieurs kilovolts. Pour les réseaux d’éclairage, la cause majeure de surtensions de commutation sont les alimentations ferromagnétiques utilisées par les lampes à décharge qui cohabitent avec l’éclairage LED. Chaque fois que les lumières sont allumées, des impulsions de surtension sont injectées dans le système et se propagent aux équipements.
Comme mentionné précédemment, un courant d’appel important circule dans les lampes à décharge lorsqu’elles sont allumées (environ 10 à 15, voire 25 fois supérieur au courant). Sur cette base, le relais statique que vous allez sélectionner doit être conçu pour gérer deux fois le courant d’appel de pointe attendu. En fait, si le relais statique est exposé à un courant d’appel répétitif supérieur à la moitié de son courant d’appel nominal, l’élément de sortie du relais statique pourrait être endommagé.
–SK – Relais statiques pour montage sur circuit imprimé
–SO8 – Relais statiques monophasés synchrones
Les caractéristiques de courant d’appel des lampes à incandescence doivent être similaires aux caractéristiques de surtension des thyristors utilisés dans les sorties AC des relais statiques afin de faire une sélection appropriée du relais à utiliser. Cependant, il est important de prendre également en compte les forts courants d’appel de charge de cette application. En raison de la température très élevée du filament en cours de fonctionnement (jusqu’à 2500 °C), sa résistance varie dans de grandes proportions suivant que la lampe est éteinte ou allumée. La résistance à froid étant faible, il en résulte une pointe de courant à l’allumage pouvant atteindre 10 à 15 fois le courant nominal pendant quelques ms à quelques dizaines de ms.
Cette contrainte concerne aussi bien les lampes ordinaires que les lampes à halogène : elle impose de réduire le nombre maximal de lampes pouvant être alimentées par un même dispositif.
Plusieurs solutions techniques sont possibles :
La manière la plus courante de faire varier les lampes à incandescence consiste à utiliser le contrôle en angle de phase. Cette technique de gradation massivement utilisée pour les lampes halogènes et à incandescence est basée sur le découpage de phase. Avec cette technique, la forme d’onde est interrompue de sorte que seule une partie de chaque demi-cycle atteint l’ampoule. La luminosité est contrôlée en faisant varier le temps après un passage par zéro auquel la forme d’onde est activée ou désactivée.
Les gradateurs haute puissance utilisent également des relais statiques asynchrones pour fonctionner sur le même principe de contrôle angle de phase.
Pour réguler la luminosité d’une ampoule à incandescence, les systèmes de contrôle utilisent la modulation de largeur d’impulsions (MLI ; en anglais PWM Pulse Width Modulation) qui est une technique de modulation de largeur d’impulsions d’un signal et permet de découper le signal continu de manière à ce que la moyenne du signal corresponde à la gradation souhaitée. Cette solution consiste à allumer et éteindre rapidement l’ampoule à une fréquence trop élevée pour être vue par l’œil humain. En faisant varier la durée de chaque impulsion, le système de contrôle peut ajuster efficacement la durée d’éclairage de l’ampoule, sans affecter la luminosité globale.
Par exemple, si le système de contrôle a besoin que l’ampoule ait une luminosité de 50 %, il allumera l’ampoule pendant la moitié de chaque cycle d’impulsion et l’éteindra pendant l’autre moitié. Cela crée l’impression d’une lueur constante, à demi-luminosité, même si l’ampoule s’allume et s’éteint très rapidement.
Voici les gammes de relais stratiques celduc que nous vous recommandons :
–SO8 – Relais statiques monophasés synchrones
–SGT8 – Relais statiques triphasés
–SO7 – Relais statiques monophasés asynchrones
–SG4 – Gradateurs angle de phase
Nous proposons des gradateurs avec différents types d’entrée commande (PWM, 0-10VDC, 4-20mA ou potentiomètre)
Les LED remplacent les ampoules à incandescence dans de plus en plus d’applications d’éclairage industriel. Par rapport aux ampoules traditionnelles, l’éclairage LED offre une efficacité énergétique améliorée tout en offrant un rendement lumineux similaire. Par conséquent, les LED sont désormais utilisées dans les phares, l’éclairage en arrière-plan, l’éclairage intérieur et l’éclairage des feux clignotants. Dans ces applications, des relais statiques sont utilisés pour contrôler les LED.
Les lampes à LED sont considérées comme des charges capacitives. Une alimentation fortement capacitive peut provoquer un appel de courant (inrush current) important sur chaque coupure du demi cycle, et donc il faut que le variateur délivre une puissance bien supérieure à la puissance nominale des sources LED connectées.
Contrôler les LED n’est pas aussi simple que contrôler les lampes à incandescence. Les lampes à incandescence sont toutes intrinsèquement dimmables sans nécessiter de circuits supplémentaires. Les lampes à LED, en revanche, fonctionnent différemment en termes de performances de gradation et de compatibilité de contrôle, nécessitant des informations supplémentaires avant de pouvoir contrôler avec succès une ampoule LED.
Voici les gammes de relais statiques celduc que nous vous recommandons :
–SKA – relais statiques pour montage sur circuit imprimé
–SU8, SO8 – relais statiques monophasés synchrones
À mesure que les systèmes deviennent plus intelligents, il est important de disposer de fonctionnalités de diagnostic fiables. Un problème courant concerne les charges ouvertes créées par des ruptures de fil, un mauvais câblage ou des pannes de circuit ouvert. Il serait avantageux que les systèmes puissent diagnostiquer ces pannes de manière indépendante et signaler le problème à un microcontrôleur.
La détection de charge ouverte peut déterminer s’il y a un fil cassé ou un module défectueux, mais elle ne peut pas déterminer une défaillance partielle. Dans de nombreuses applications, les LEDs sont configurées sous forme de plusieurs chaînes en parallèle. Dans ce cas, il est important de savoir si l’une des chaînes de LED du réseau n’est pas fonctionnelle, même si le reste des chaînes continue de fonctionner. Le module de surveillance du courant celduc ESUC peut déterminer cette condition en utilisant une mesure précise du courant de charge pour détecter un changement absolu du courant de sortie qui se produit avec une ouverture partielle provoquée par une défaillance de chaîne. Ces informations peuvent ensuite être utilisées pour communiquer la défaillance partielle au niveau du microcontrôleur ou d’un autre circuit d’intelligence du système …
Pour plus d’informations sur le module de mesure de courant ESUC.
Voici quelques exemples d’applications d’éclairage où les relais statiques celduc sont utilisés :
Les lumières de scène sont généralement contrôlées par une console ou un tableau d’éclairage, à l’aide d’un logiciel associé à des composants électroniques tels que les relais statiques pour un contrôle précis et synchronisé, permettant des arrangements et des effets d’éclairage complexes grâce à leur fréquence de commutation très élevée permettant une très grande précision.
Un gradateur est un appareil électronique destiné à faire varier la puissance délivrée à un autre appareil (éclairage) avec un bon rendement. Les gradateurs ne sont utilisés que sur les lampes à incandescence ou halogène, pas sur les lampes à LED. Les gradateurs électroniques utilisent des relais statiques pour contrôler la puissance électrique. Les gradateurs de grandes puissances (d’une intensité supérieure à 63A) sont généralement destinés à des installations fixes : ce sont eux qui équipent habituellement les salles de spectacles. Ils se présentent sous la forme d’armoires et sont installés dans un local dédié.
Les gradateurs d’une intensité égale ou inférieure à 63A sont plus fréquemment des gradateurs dits « mobiles ». Ils sont facilement transportables et possèdent une prise pour être alimentés en courant. En utilisation professionnel, les plus communs sont ceux nécessitant une alimentation 32A triphasée et délivrant 6 circuits monophasés.
Les relais statiques asynchrones sont couramment utilisés et leur angle de phase est contrôlé par le système pour fournir le niveau d’éclairage souhaité.
La vitesse de commutation rapide des SSR est importante et présente un avantage indéniable pour de nombreux effets d’éclairage et pour un rendu optimal.
celduc® relais peut également développer des relais statiques sur-mesure pour répondre à vos spécifications électriques et/ou mécaniques spécifiques.
Au cours des dernières années, les lampes fluorescentes sont devenues l’éclairage de choix pour les entrepreneurs cherchant à économiser à la fois sur les coûts d’énergie et de maintenance. Bien que l’éclairage fluorescent puisse coûter un peu plus cher lors de l’installation initiale, cette différence de coût est compensée par la quantité d’énergie économisée par rapport à l’éclairage à incandescence traditionnel. Toutes les lampes fluorescentes ont besoin de ballasts fluorescents pour fonctionner. Un ballast électronique est un appareil qui contrôle la tension de démarrage et les courants de fonctionnement des appareils d’éclairage.
Une lampe fluorescente génère de la lumière grâce à l’utilisation de deux éléments : l’électricité et la vapeur de mercure. Un courant électrique – également appelé arc – traverse la vapeur, produisant une lumière ultraviolette. Cette lumière rebondit ensuite sur une couche de phosphore située à l’intérieur de la lampe, ce qui allume l’ampoule. Les ballasts fluorescents régulent le processus.
Les relais statiques utilisés pour ce type d’application doivent être capables de supporter un courant d’appel qui peut aller jusqu’à 800 Apk pendant 200 μs maximum.
La règle générale est d’utiliser des relais synchrones pouvant supporter ces courants d’appel. Nous recommandons également l’utilisation de relais 400VAC sur le réseau 230VAC.
L’objectif des concepteurs est d’améliorer la fiabilité des systèmes d’éclairage public à LED et de minimiser les opérations de maintenance en utilisant des composants de haute qualité, à longue durée de vie et bien adaptés aux environnements dans lesquels les lampadaires sont utilisés. Pour ces raisons les relais statiques sont un bon choix.
De plus, afin de limiter la pointe de courant à l’enclenchement des circuits ayant un comportement capacitif, il faut s’assurer que la mise sous tension du circuit d’éclairage se produise au moment où la tension du réseau passe par zéro (appelée « fonction de passage par zéro »). Cette technique permet de réduire considérablement le courant d’appel généré à l’allumage (de l’ordre de 4 à 5 fois). Jusqu’à présent, seuls les relais statiques à semi-conducteurs offrent cette possibilité. L’instant de commutation est très précis et le courant d’appel est alors réduit.
Les feux de circulation doivent fonctionner dans des conditions environnementales souvent difficiles. Les relais statiques offrent d’excellentes caractéristiques (résistant à l’humidité, antidéflagrant, anticorrosion) pour relever ce défi. De plus, les relais statiques répondent aux exigences relatives aux feux de signalisation clignotants qui sont fréquemment allumés et éteints, car ils peuvent maintenir des intervalles de commutation de 10 millisecondes ou plus.
Le fonctionnement normal des feux de circulation nécessite de la coordination pour garantir que la circulation et les piétons se déplacent aussi facilement et en toute sécurité que possible. Une variété de systèmes de contrôle différents sont utilisés pour y parvenir, allant de simples mécanismes d’horlogerie à des systèmes informatisés sophistiqués de contrôle et de coordination qui s’ajustent automatiquement pour minimiser les retards pour les personnes utilisant l’intersection.
Un feu de circulation est généralement géré par un contrôleur monté à l’intérieur d’une armoire. Les contrôleurs statiques doivent disposer d’une unité de surveillance des conflits (CMU) indépendante, qui garantit un fonctionnement sans faille.
celduc propose des relais statiques asynchrones pour le pilotage et le contrôle des feux tricolores.
Les relais sont utilisés dans les lampadaires automatiques pour contrôler le flux d’électricité vers les lumières. Les systèmes d’éclairage public typiques utilisent des capteurs qui déclenchent des relais pour allumer et éteindre les lumières en fonction de la luminosité. Cela permet d’économiser l’énergie et de garantir que les lumières ne sont allumées qu’en cas de besoin, réduisant ainsi les coûts d’électricité et l’impact environnemental. De plus, les relais fournissent un niveau d’isolation électrique et de protection pour les circuits de commande, améliorant ainsi la sécurité et la fiabilité du système.
Par souci d’économie d’énergie, les lampes d’éclairage sont activées par ordinateur ou détecteurs de présence. Les relais statiques sont utilisés pour commuter ces lampes.
Il existe plusieurs technologies pour les murs vidéo, mais les murs de panneaux LED sont couramment utilisés et constituent un produit avec un grand potentiel sur un marché en croissance. Les murs d’images LED ont tendance à consommer moins d’énergie, nécessitent un entretien minimal et peuvent être installés à l’extérieur sans protection supplémentaire.
Par exemple, sur un projet de mur vidéo LED de 90 m² (avec un courant de charge de 92 A sur 4P à 400 V), nous avons fourni des contacteurs statiques pour contrôler l’alimentation électrique. Pour cet équipement sensible et coûteux, il était en effet important de proposer des composants fiables qui s’intégreraient bien au système. Certaines conditions électriques difficiles comprenaient des interférences au niveau de l’alimentation électrique et du récepteur utilisé avec l’écran LED, des conversions importantes de signaux AC/DC et des risques de courts-circuits.
Compte tenu du courant de commutation élevé de cette application, nous avons proposé un assemblage composé de trois relais statiques monophasés SO869970 avec un calibre thyristor de 125 A montés sur un dissipateur thermique ventilé de type WF031100.
The Future of Lighting Control
As technology continues to evolve, we are likely to see more sophisticated and versatile control systems that can adjust not only the brightness but also the color, temperature, and other parameters of lighting. LEDs and other solid state lighting technologies are already offering new possibilities for lighting control, and the Internet of Things is enabling unprecedented connectivity and automation.
With fast switching, long life and high reliability, solid state relays are an excellent choice to be integrated in light control systems.
Service commercial France :
+33 (0) 4 77 53 90 20
Service commercial Export Europe :
+33 (0) 4 77 53 90 21
Service commercial Export Asie :
+ 33 (0) 4 77 53 90 19
Service commercial Export USA :
+ 33 (0) 4 77 53 90 21
