Polytech'Clermont-Ferrand
Génie électrique
2011
Modélisation électrique du filament d'une lampe incandescente
Sujet P11A04
Projet GE2-GE3 2011
Entreprise : Renesas Electronics
Client Renesas Electronics : Jerome PILLET
Tuteur industriel : Jean-Yves RIGNAULT
Tuteurs technique : Michel JAMES & Alexis LANDRAULT
Responsable projet : Jacques LAFFONT
Equipe projet : Hicham TOUDGHI & Saïdou NANA
Le but du projet Modélisation électrique du filament d'une lampe incandescente est la conception d'un modèle thermoélectrique du filament en tungstène.Le processus de modélisation consiste à faire l'étude théorique du filament afin de déterminer ses caractéristiques techniques ( courant, tension, résistance )en fonction de la variation de la température générée, et d'en déduire un modèle physique par le logiciel SPICE.
L'entreprise RENESAS, fabricant de systèmes de commande électroniques, bénéficiera de cette conception pour la simulation et la détermination de la durée de vie des lampes automobiles et l'amélioration de la qualité de leurs Drivers.
Mots clés :
The project goal Electrical modeling of the filament of an incandescent lamp is designing a model of thermoelectric filament tungstène.Le modeling process is to make the theoretical study of the filament to determine its technical characteristics (current, voltage, resistance) depending on the temperature variation generated, and to deduce a physical model by SPICE software.
Renesas Company, a manufacturer of electronic control systems, will benefit from this design for simulation and determination of the life of automobile lamps and improving the quality of their drivers .
Key Words :
Dans le cadre de notre formation d'ingénieur au sein du Département Génie Electrique de Polytech ' Clermont Ferrand, nous avons été sollicité pour la modélisation électrique du filament d'une lampe incandescente au profit e l'entreprise RENESAS.
La finalité de ce projet est de permettre à cette entreprise d' améliorer les performances de leurs systèmes de commande électronique afin d'augmenter la durée de vie des lampes utilisées dans le domaine de l'automobile et qui fonctionnent avec ces drivers.
Notre client est M. Jérôme PILLET et représentant de l'entreprise RENESAS.Nous sommes de plus encadrés par deux tuteurs techniques qui sont M.Michel JAMES, M. Alexis LANDRAULT et par un tuteur industriel qui est M.Jean Yves RIGNAULT.
Le développement de notre projet se déroule en deux phases: une étude de faisabilité en deuxième année (50H) et une phase de réalisation en troisième année (200H).
4.1 Présentation de l'entreprise RENESAS
RENESAS est :
- Numéro un mondial des fournisseurs de microcontrôleurs
- Leader dans le domaine des semi-conducteurs avancés
- L’un des grands fabricants mondiaux de systèmes semi-conducteurs pour les téléphones mobiles et les applications automobiles.
Les lampes incandescentes sont beaucoup utilisées dans l’industrie notamment dans le domaine de l’automobile pour l’éclairage mais aussi pour la signalisation (phare, clignotant etc….).Ces appareils dont le fonctionnement sont pilotés par des systèmes de commandes de technologie divers peuvent avoir donc des durées de vies variées suivant les conditions d’utilisation et les technologies mis en œuvres.
Quelque soit la technique utilisée pour le pilotage on constate au moment de la phase transitoire d’allumage, un très grand de démarrage important donc le pic de courant appelé INRUSH peut atteindre des dizaines d’ampères, valeur largement au dessus de la valeur nominale de fonctionnement
Nuisibilité du phénomène
Le tungstène, comme tous les métaux a une résistance plus faible à froid qu'à chaud. Cet état de fait se traduit par une surintensité lors de l'allumage de l'ampoule. L'intensité du courant peut alors atteindre 10 fois sa valeur normale pendant une durée très brève (couramment 1/6 de seconde). Ce pic de courant produit une érosion rapide du filament de tungstène. Pendant cet intervalle, alors que la plus grande partie du filament s'échauffe progressivement, les zones les plus minces sont portées à des températures les plus élevées. Les zones fragilisées du filament peuvent alors se rompre, c'est le claquage. Ceci explique pourquoi les lampes claquent de préférence lors de l'allumage.
4.2 Pourquoi ce projet ?
4.3 Présentation du projet
Le cahier des charges de notre projet se décline en ces points suivants:
- Etude théorique de la lampe incandescente
- Loi de variation de la résistance du filament
- Loi de variation thermique
- Proposition d'une méthode de modélisation
- Implantation du modèle générique dans un outil de simulation SPICE
- Application du modèle aux différents types de lampes utilisés
- Détermination des paramètres physiques
- Vérification des modèles en comparant les résultats de la simulation avec les mésures
6.1 Etude préalable
Ampoule incandescente
Production de la lumière en portant à l'incandescence le filament de Tungstène.
L’ampoule est remplie d'un gaz inerte (argon, krypton...) afin d’éviter la température de fusion
Tfusion = 3683 K .
Le filament porté à haute température émet un rayonnement dont le spectre est continu.
la loi de Stefan : P = σT4 S
Le filament est assimilé à un cylindre de longueur L, sa résistance est donnée par : R = ρ L/(πa2).
P= puissance rayonnée
S = surface en contact avec le milieu extérieur
σ =5,67 10-8 W K-4 m-2
ρ =7,1 10-8 W m à 25C°
a = rayon
6.2 Choix techniques
Comportement du filament
Pour une tension d'alimentation U= 230 V aux bornes du filament, quelle est la puissance PJ dissipée par effet Joule ?
Section du filament : πa2 =3,14*(2 10-5)2 = 1,256 10-9 m2.
Résistance du filament : R = ρL/(πa2) = 7,1 10-8 *0,4/ 1,256 10-9 =22,6 ohms à 25°C.
PJ = U2/R =2302/22,6 = 2,1 103 W
Cette puissance dissipée par effet Joule est convertie en chaleur : la température du filament s'élève.
Température d'équilibre du filament
En régime permanent, la puissance en Joule est égale à la puissance rayonnée :
σT4 S = 2,1 103 T = 5,2 103 K. Cette valeur est "impossible",le tungstène a fondu.
En réalité la résistivité du tungstène dépend de la température suivant la loi :
ρ = AT2 + BT avec A = 2,5 10-14 W m K-2 et B = 2,3 10-10 W m K-1.
La température d'équilibre du filament est solution d'une équation du type :
La température d'équilibre du filament est solution d'une équation du type :
Résistance du filament : R = ρ L/(π a2) = (AT2 + BT)L/(πa2)
PJ = U2/R =U2 πa2/[(AT2 + BT)L]
En régime permanent, la puissance en Joule est égale à la puissance rayonnée :σT4 2 πaL =U2pa2/[(AT2 + BT)L] soit :
Source: University of Negev Departement of Electrical engineering
Proposition
- Le client demande d'utiliser le logiciel SPICE
- Ce logiciel convient pour la modélisation de la résistance variable en fontion de la température
- PSPICE permet de modéliser un sous-circuit pour la gestion éventuelle de la variation de la resistance en fonction de la température
- Création d’un modèle thermoélectrique
PSPICE: version gratuite de SPICE
6.3 SPICE
SPICE ( Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis )
Les étapes à suivre dans une simulation de circuits avec PSpice sont:
· Etape 1 : Dessiner le schéma du circuit avec le module Schematics
· Etape 2 : Choisir le type d'analyse
· Etape 4 : Tracer les courbes avec le module Probe
6.4 Exemple de simulation
Pont redresseur à diodes
6.5 Planning
6.6 Jalons
- 20 septembre : Réception des lampes de RENESAS pour les études et le banc d’ essai:
H9, H4, H7,P21W, ANSI 1156, R10W, R5W
- 30 octobre : Finalisation du choix et validation du modèle
- 22 novenbre :Fin projet de soutenance
- 30 novembre : Fin implantation du modèle dans SPICE
- 15 décembre : Fin étude , réalisation banc d’ essai et validation
- Debut janvier : soutenance du projet
6.7 Phase critique
Problématique du choix technique:
- Banc de test ayant comme principale paramètre la température ce qui entraîne un probléme dans la capture de la variation de température instantanée
Proposition:
Réalisation d’un banc d’essai avec les tensions et courants de commande comme principales paramètres
Bilan Personnel