Innovative solutions for acoustic resonance characterization in metal halide lamps

par Fang Lei

Thèse de doctorat en Génie Électrique

Sous la direction de Pascal Maussion et de Georges Zissis.

  • Titre traduit

    Solutions innovantes pour la caractérisation de résonances acoustiques dans les lampes à iodures métalliques


  • Résumé

    La lampe à iodure métallique est une des sources lumineuses de haute performance les plus compactes qui soit. En raison de leur bon indice de rendu des couleurs et de leur haute efficacité lumineuse, ces lampes sont souvent préférées dans les endroits où la couleur et l'efficacité sont importantes, comme les supermarchés, les gymnases, les patinoires et les arènes sportives. L’inconvénient majeur de ce type de lampe à iodure métallique vient d’un phénomène appelé « résonance acoustique ». Lorsqu’il se produit, la lumière scintille, l’arc au centre de la lampe se met à fléchir et à tourner. Cela peut aller jusqu’à l'extinction de la lampe et, dans le pire des cas, à l’explosion du tube lorsque les lampes fonctionnent dans certaines bandes de fréquence. Cette thèse se situe dans le contexte du développement de ballasts électroniques incorporant des mécanismes robustes de détection et d'évitement de résonance acoustique. À cette fin, plusieurs méthodes de détection d'enveloppe telles que le circuit multiplicateur, le circuit redresseur et l'amplificateur à verrouillage de phase sont proposées pour caractériser les fluctuations de la résonance acoustique et mieux les détecter. Des critères statistiques basés sur l'écart-type de ces fluctuations ont été établis pour détecter la présence de résonances acoustiques et les classer suivant leur gravité. Les critères proposés permettent de différencier les cas sans résonance acoustique et avec présence de résonance acoustique dans un plan bidimensionnel ou en utilisant des intervalles de confiance. Cette analyse temporelle est confirmée par l’étude des variations du spectre optique et des paramètres colorimétriques. Leurs écarts-types relatifs sont également corrélés à la présence de résonances acoustiques. Les résultats de cette étude montrent que les variations de l'enveloppe de tension ou les variations du spectre et des paramètres colorimétriques sont fortement influencées par les phénomènes de résonance acoustique Un ensemble de lampes à iodure métallique de différents fabricants et avec des puissances différentes a été testé dans nos expériences. Nous avons conclu que les circuits à multiplicateurs et a redressement permettent de détecter les résonances acoustiques avec le même niveau de sensibilité que le système à verrouillage de phase, ouvrant la voie à l’implantation de cette fonction directement au niveau du circuit du ballast.


  • Résumé

    Metal halide lamp is one kind of the most compact high-performance light sources. Because of their good color rendering index and high luminous efficacy, these lamps are often preferred in locations where color and efficacy are important, such as supermarkets, gymnasiums, ice rinks and sporting arenas. Unfortunately, acoustic resonance phenomenon occurs in metal halide lamps and causes light flicker, lamp arc bending and rotation, lamp extinction and in the worst case, arc tube explosion, when the lamps are operated in high-frequency bands. This thesis takes place in the context of developing electronic ballasts with robust acoustic resonance detection and avoidance mechanisms. To this end, several envelope detection methods such as the multiplier circuit, rectifier circuit, and lock-in amplifier, are proposed to characterize fluctuations of acoustic resonance. Furthermore, statistical criteria based on the standard deviation of these fluctuations are proposed to assess acoustic resonance occurrence and classify its severity. The proposed criteria enable classifying between no acoustic resonance and acoustic resonance cases based upon either a two-dimensional plane, a histogram or a boxplot. These analyses are confirmed by the study of spectral variations (variations of the spectral irradiance and colorimetric parameters) as well. Standard deviations and relative standard deviations of these variations are also correlated with the presence of acoustic resonance. The results from this study show that whatever voltage envelope variations or spectral variations are significantly influenced by acoustic resonance phenomena. A set of metal halide lamps from different manufacturers and with different powers are tested in our experiments. We concluded that our designed multiplier and rectifier circuits for acoustic resonance detection have the same sensitivity as the lock-in amplifier, paving the way for the implementation of this function directly into the ballast circuit board.


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