COUP D’OEIL SUR LES FAIBLESSES DE L’ECLAIRAGE LED

l'Influence importante des (inter)harmoniques

Le passage de l’éclairage traditionnel à une installation LED ne se fait pas sans encombres. Afin d’y voir plus clair dans le cadre de cette problématique, l’ATS Groep et l’UGent Campus Courtrai – Lemcko ont décidé de collaborer autour d’une étude réalisée dans le cadre d’une épreuve de master. Ce travail s’est penché sur l’analyse des problématiques. Nous abordons dans cet article la question du flicker, ou papillotement lumineux.

MESURER ET EVALUER LE FLICKER

Flicker visible et invisible

Le flicker est une variation de l’intensité lumineuse dans le temps. Le flicker peut être visible ou invisible et devient indésirable à partir d’un certain degré. Le flicker est typique des installations à basse fréquence et est considéré comme dérangeant. L’homme n’est pas directement dérangé par le flicker, mais comme l’oeil s’adapte en continu à l’intensité lumineuse, le flicker peut être responsable de fatigue, de maux de tête et de diffcultés de concentration lors d’une exposition de plus longue durée.

Mesurer l’intensité lumineuse

A Lemcko, un système de mesure a été mis en place pour mesurer l’intensité lumineuse. La figure 1 montre la variation de l’intensité lumineuse d’une ampoule incandescente et d’une ampoule économique. Pour chacune de ces technologies, on voit clairement la double fréquence de réseau (100 Hz). 

La figure 2 montre la même chose pour l’éclairage LED. La différence saute aux yeux. Une LED peut montrer une variation de 100 Hz, alors qu’une autre présente une intensité constante. La différence vient de la source interne d’électricité de la LED. Une LED présente une intensité égale au courant électrique et non à la tension. Pour un flux lumineux constant, il faut pouvoir gérer l’alimentation électrique, ce qui est le cas de la figure 2. La variation mesurée de 100 Hz, qu’on retrouve avec plusieurs technologies d’éclairage, ne constitue pas un problème. En effet, une variation de 100 Hz est beaucoup trop rapide pour être problématique pour l’oeil humain. On ne remarque le flicker que jusqu’à 70 Hz. Etant donné la double fréquence de l’intensité lumineuse, cela signife qu’avec une tension normale, il n’y a pas de problème de flicker. Le flicker sera donc un problème en fonction de l’importance de la variation et de la fréquence de cette variation.

Evaluation du flicker visible

L’appréciation objective du flicker visible s’est fait dans le cadre de cette étude à l’aide du Compact Flicker Degree (CFD) [1]. Cette méthode tient compte de la forme de l’onde lumineuse. L’intensité lumineuse est traduite en tension électrique (fig. 1 et fig. 2). L’onde permet de défnir le spectre. En fonction de la fréquence, on lui accorde une importance plus ou moins grande pour prendre en compte la sensibilité visuelle et la réaction spécifque d’une personne à certaines fréquences. On sait par exemple qu’une variation de 8 Hz sera ressentie comme la plus dérangeante. L’interprétation du CFD est répartie en plusieurs catégories. Chaque catégorie est associée à une couleur (voir tableau).

IMPACT DES HARMONIQUES ET INTERHARMONIQUES SUR L’ECLAIRAGE

Plusieurs ampoules LED ont fait l’objet de mesures à Lemcko (voir figure 3). Elles étaient alimentées à l’aide d’une source programmable. La tension comprenait à chaque fois une harmonique ou une interharmonique spécifque. La partie basse des ondes harmoniques (3e à 11e), les mesures ont été prises lors de plusieurs changements de phase par rapport à une onde de sol de 50 Hz. Pour le choix des interharmoniques, on s’est tourné vers les signaux CDC possibles (commande à distance centrale). Le gestionnaire de réseau utilise le signal CDC pour envoyer des messages à destination du réseau. Ces messages sont utilisés à des fns multiples, comme l’activation ou la désactivation de l’éclairage de rue ou le passage du tarif de jour au tarif de nuit. Ces signaux CDC s’ajoutent au réseau de tension de 50 Hz. La zone de fréquence est déterminée par la norme EN 50160 entre 110 Hz et 3.000 Hz, de même que l’amplitude maximale. Les fréquences typiques sont de 180 Hz, 185 Hz et 283 Hz. L’onde harmonique de 1.350 Hz est aussi utilisée. Pour ces fréquences, cela n’a aucun sens de modifer la phase, puisqu’elles ne sont pas synchrones avec l’onde de sol. On peut voir le résultat sur la figure 3.

Seule l’ampoule B est une ampoule LED à intensité variable. On peut voir des différences très marquées entre les ampoules. Il ressort aussi que les ampoules D et E sont de moindre qualité en ce qui concerne l’intensité lumineuse, même dans le cas d’une tension sinusoïdale pure. Ces ampoules ne doivent idéalement pas être utilisées pour l’éclairage d’un espace de travail. Pour toutes les ampoules, les harmoniques et la variation d’intensité (diminution de la tension de 6%) n’ont eu un impact que limité sur le CFD. Le CFD a à peine été modifé par rapport à une tension sinusoïdale pure et reste donc dans les mêmes catégories de couleur pour ces situations. La principale conclusion à retenir, c’est que les interharmoniques d’une grande partie des ampoules entraînent toujours une augmentation du CFD. Pour six ampoules, l’impact est tel qu’elles se retrouvent même en zone rouge. Cela correspond en grande partie aux observations visuelles, le flicker n’a été remarqué que lors des mesures avec les interharmoniques.

IMPACT DES HARMONIQUES ET INTERHARMONIQUES SUR L’ECLAIRAGE AVEC VARIATEUR D’INTENSITE

La prochaine étape consiste à associer un variateur d’intensité adapté à l’ampoule LED. La figure 4 montre à nouveau que ce sont les interharmoniques qui posent problème.

En figure 5, on voit qu’en cas d’amplitude limitée des interharmoniques, le flicker devient problématique. Cette influence s’explique par l’utilisation de variateurs d’intensité. Ils utilisent la commutation au zéro de tension pour actionner le commutateur à semi-conducteur. Les harmoniques peuvent modifer la commutation au zéro de tension mais cette modifcation est constante et n’induit pas de flicker perceptible. Les interharmoniques modifent la commutation au zéro de tension à chaque période, si bien que les interharmoniques et l’onde de sol se désynchronisent.

RESOLUTION DES PROBLEMES

La solution au problème décrit se trouve dans la figure 3. Une ampoule d’un autre fabricant permet de solutionner le problème. Pour les problèmes plus tenaces, on recommande d’utiliser des fltres CDC. Mais attention, tous les cas de flicker ne sont pas imputables aux interharmoniques. Dans la plupart des cas, le problème vient de la compatibilité entre la LED et le variateur d’intensité. Donc, avant d’envisager de grosses modifcations de l’installation, commencez par bien lire le mode d’emploi.

 

sources

[1] P. Erwin and P. Shackle, 'Understand a new flicker metric and its application to AC LED light engines' 
LEDs-MAGAZINE, 2017