Les LED (suite)

A cause des températures estivales à Grenoble (minimum 30°C à l'ombre à l'extérieur et 28°C dans mon appartement), la décision fut prise de remplacer toutes mes lampes à incandescence par des lampes à LED si toutefois j'arrivais à en trouver qui puissent éclairer suffisamment.

En effet,

• les lampes à incandescences, c'est 95% de chaleur, 5% de lumière. Nombre de commutation illimité, durée de vie de 1000h, peu de champ électrique (0.2V/m), prix : environ 1€
• les lampes fluocompactes, c'est 25% de chaleur et 75% de lumière. Nombre de commutation limité, durée de vie de 6000h à 15000h, champ électrique pouvant aller jusqu'à 180V/m, prix : environ 10€
• les LED, c'est 5% de chaleur et 95% de lumière. Nombre de commutation illimité, durée de vie de 25000h, champ électrique négligeable, prix : entre 15€ et 60€

Je me rends tout d'abord chez Bricomann où j'achète dans un premier temps, pour ma lampe de bureau, une lampe à LED de 1W de marque ASALUX comprenant à l'intérieur 21 LED et de douille E14. Cette lampe fonctionnant encore, j'en achète une autre dans le même magasin de 4W de marque ASALUX comprenant à l'intérieur 60 LED et de douille E27. Cette-ci étant à bas coût (15€), elle éclairait peu et a finit par claquer au bout de 1 an soit environ 1800h. Dommage pour moi. Je n'ai pas gardé le ticket de caisse, donc pas de remboursement ou d'échange possible au magasin.

En plus, après avoir démonté cette lampe, je me suis rendue compte qu'elle contenait un petit circuit imprimé redressant la tension EDF puis fournissant aux 60 LED (câblées en série) une tension et un courant continus. Ce petit circuit possédait un fusible soudé dessus. En gros, 1 seule LED ou alors le fusible grille et la lampe à LED ne fonctionne plus. Je trouve ça aberrant pour le client mais intelligent pour le fabricant. Suis-je tombée sur un mauvais produit ou est-ce normal pour cette marque? Je ne le saurai jamais.

Voulant toujours faire des économies mais aussi éviter la production de chaleur grâce à mes lampes, je me rend cette fois-ci chez Kéria, spécialiste et vendeur de luminaire et d'abat-jour. Ils ont bien des lampes à LED avec des culots E27 mais pas assez puissantes pour éclairer correctement mon appartement de 30m² (J'ai besoin de 3 lampes). Je me rends donc ensuite chez Laurie Lumière, lui aussi spécialiste et vendeur de luminaire et d'abat-jour. J'arrive à trouver des lampes à LED suffisamment puissantes pour éclairer mes 30m². J'achète 3 lampes à LED pour un prix total de 177€ et je les installe à la maison. Et là WAOU : CES LAMPES ÉCLAIRENT SUPER BIEN!! AUSSI BIEN QU'UNE LAMPE A INCANDESCENCE DE 55W!! A ce prix-là, elles sont garanties 10ans.

Mais, réaliserai-je réellement des économies? Faisons ensemble le calcul. Une lampe à incandescence de 55W coûte 1€ à l'achat contre 59€ pour une lampe à LED de 6.5W. Une lampe à incandescence de 55W consomme 96.25kWh/an contre seulement 11.375kWh/an pour une lampe à LED de 6.5W. EDF nous facture 0.0819€ le kWh. Donc une lampe à incandescence de 55W nous coûte 7.88€ par an et une lampe à LED de 6.5W nous coûte 0.9316€ par an.

En considérant que je remplacerai une lampe à incandescence tous les ans (10 lampes pour 10 ans), sur 10 ans elles me coûteront 88.8€. Par contre je remplacerai une lampe à LED tous les 10 ans maximum (1 lampe à LED pour 10 ans), sur 10 ans elles me coûteront 67.316€. Donc sur 10 ans j'économiserai 21.5€ par lampe à incandescence de 55W remplacée par une lampe à LED de 6.5W.

En conclusion, le coût d'une lampe à incandescence reposant principalement sur sa consommation électrique et non sur son coût à l'achat, sachant aussi que les tarifs de l'électricité augmente avec les années, l'investissement dans l'achat de lampe à LED est plus économique sur le long terme.

Evolution du courant dans les lampes à décharge

Le courant dans toutes les lampes à décharge possède 3 phases :
* le courant transitoire,
* le courant de préchauffage,
* le courant en régime permanent.
 

Courant d’appel : Le courant d’appel représente le courant absorbé par une lampe électrique suite à la mise sous tension. Le courant d’appel est strictement dépendent de la tension d’entrée appliquée, de l’impédance, de la source, des fils d'entrée et des paramètres internes de l’alimentation.
Les causes de ce régime transitoire peuvent être différents en fonction des chaque technologie de lampes. On peut avoir des courant d’appel suite à des variations des résistances (pour les lampes à incandescence) ou des courants d’appel causés par la saturation des circuits magnétiques des ballasts / transformateurs ferromagnétiques. Dans le cas d’utilisation des ballasts électroniques, le régime transitoire à la mise sous tension est lié à la charge initiale des condensateurs de filtrage (condensateur installé dans le ballast en sortie du pont de diode d’entrée). En fonction des impédances de câblage, le courant d’appel pour un ensemble de lampes est de l’ordre de 5 à 100 fois le courant nominal pendant quelques millisecondes.
Ce courant étant très important, il joue un rôle significatif dans le choix des équipements de protection et des composants électriques qui se situent en amont de ce charges tels que le disjoncteur ou fusibles, contacteur, connecteurs et section des fils.
On retrouvera un courant d'appel plus élevé si le ballast commence à être alimenter quand la tension est maximum.
 

Courant du préchauffage : Toutes les lampes à décharge (fluorescentes et haute intensité) nécessitent une phase d’ionisation du gaz et des électrodes avant l'allumage qui engendre une surconsommation sur le réseau. Ce courant est généralement deux fois supérieur au courant nominal de fonctionnement d’une lampe. Dans la pratique, il est également possible trouver des courants de préchauffage plus petits que le courant nominal – la limitation du courant de préchauffage est due à l’utilisation d’un dispositif du type « soft-start » intégré dans le ballast.

Courant de régime établi : Lorsqu'il n’y a plus de perturbations dans le système, celui-ci a atteint son état d'équilibre, on dit qu'il est en « régime permanent ».

Les ballasts ferromagnétiques

Les ballasts ferromagnétiques, utilisés pour l'alimentation des lampes à décharge, ont un rôle double : il permet de fournir la haute tension nécessaire à l'allumage de la lampe puis, une fois la lampe allumée, il permet de limiter la tension à ses bornes.

Les éléments entrant en jeu sont :
* la lampe à décharge,
* le ballast est une inductance,
* le starter (pour les tubes fluorescents) ou l'amorceur (pour les autres lampes à décharge) est un dipôle électrique qui se comporte comme un interrupteur. Au départ, il n'est pas conducteur,

# les starters sont des dispositifs d'amorçage qui, en combinaison avec l'impédance du ballast, provoquent une surtension momentanée sur la lampe, de plus, assurent le préchauffage des cathodes. Ils sont destinés en particulier aux lampes fluorescentes,
# les amorceurs sont des dispositifs d'amorçage qui se distinguent des starters par le fait qu'ils n'assurent pas le préchauffage des électrodes. Ils sont donc utilisés avec les lampes à décharge à cathodes non préchauffées qui requièrent pour l'amorçage une tension assez élevée, qu'il ne serait pas économique de produire à l'aide d'un transformateur élévateur à dispersion. Les amorceurs sont en principe des générateurs d'impulsions à semi-conducteur, les impulsions pouvant être ou non synchronisées avec un certain angle de phase de la tension du réseau.

Le ballast est en série avec la lampe, tandis que le starter ou l'amorceur est en parallèle avec la lampe à décharge.

Le schéma de câblage est donné aux figures suivantes.

Immédiatement après la mie sous tension du luminaire, la tension du réseau basse tension est suffisamment importante pour établir une décharge dans le starter. Son bilame étant chauffé par cette décharge, sa partie mobile va se déformer et entrer en contact avec sa partie fixe. A partir de ce moment, un courant électrique parcourt aussi les électrodes de la lampe qui commencent à chauffer. En même temps, le bilame du starter commence à se refroidir et finit par s'ouvrir, coupant ainsi un circuit de nature inductive. Le ballast va libérer l'énergie accumulée pendant ce temps et va appliquer une surtension (entre 600 et 1000V) aux bornes de la lampes. La décharge dans le gaz s'amorce alors si les électrodes sont suffisamment chaudes. Dans le cas contraire, le cycle qui vient d'être décrit recommence jusqu'à ce que la décharge s'amorce. Une fois amorcé, le ballast limite le courant dans la décharge à son niveau nominal.

L'inconvénient des ballasts ferromagnétique est qu'ils déphasent le courant par rapport à la tension, dégradant ainsi le facteur de puissance. Afin de compenser cet effet, des condensateurs sont associés au ballast. Les condensateurs déphasent à l'inverse le courant, rétablissant ainsi le facteur de puissance global du luminaire. Les avantages principaux du ballast ferromagnétique sont sa simplicité d'utilisation et son bas coût. Toutefois la difficulté d'ajouter des variateurs de lumière, l'effet de flicker ou sa faible efficacité énergétique représentent des éléments en sa défaveur.

Les ballasts électroniques

Les ballasts électroniques remplacent l'ensemble ballast ferromagnétique – amorceur – condensateur pour l'alimentation des lampes à décharge. L'intérêt d'utiliser ce type de dispositif d'alimentation réside dans le fait que la fréquence d'alimentation de la lampe est augmentée à quelques dizaines de kHz par rapport à la fréquence du réseau basse tension (50 Hz), en fonction de la technologie utilisée. En effet, en haute fréquence le gaz dans le tube ne peut pas se déioniser entre deux périodes. Cela se traduit par une meilleure efficacité, une durée de vie plus longue et la disparition du phénomène de flicker. En même temps, l'inductance permettant de fournir la tension d'amorçage de la lampe est moins encombrante, diminuant ainsi les pertes Joule.

Cependant, la solution électronique est beaucoup plus complexe que la variante classique d'alimentation et impose un investissement initial élevé. A cause du fonctionnement en haute fréquence, ces luminaires produisent des champs électromagnétiques qui pourraient perturber la santé et l'environnement. Elles génèrent d'importants rayonnements radioélectriques (gêne pour les équipements de radiocommunication). Par exemple, contrairement aux ampoules classiques, les champs produits par les lampes fluocompactes allumées détectés à 20cm atteignent entre 4 et 180V/m pour des puissance allant de 11 à 20 Watts. Ce n'est qu'à une distance d'un mètre qu'on retrouve une valeur de 0,2 V/m, (la norme imposant 28V/m maximum). A ce jour, il est donc déconseillé d'utiliser ces lampes en tant que lampes de chevet ou de bureau.

On distingue deux types de ballasts électroniques, le ballast LPF (Low Power Factor = faible facteur de puissance) généralement utilisé pour les lampes et le ballast HPF (High Power Factor = forte facteur de puissance) utilisé pour les tubes fluorescents et les lampes à décharge haute pression.

Les ballasts HPF ont un facteur de puissance proche de 1, grâce à leur correction intégrée et leur redressement de type sinusoïdal. Cette correction, peut être de type passive (self de choc à l'entrée du ballast) ou active (convertisseur de type boost dans l'étage redresseur). Pour les ballasts LPF utilisés en nombre très important, une compensation globale du facteur de puissance de type filtrage est nécessaire au niveau du réseau électrique.

Le schéma de câblage est donné à la figure suivante.

Le schéma de principe d'un ballast électronique pour l'alimentation des lampes à décharge est montré dans les 2 figures suivantes.

Les principales parties constitutives d'un ballast électronique sont :

* le filtre CEM d'entrée;

* l'étage redresseur (avec ou sans circuit de correction du facteur de puissance);

* le condensateur de lissage de la tension redressée;

* l'étage onduleur (demi-pont capacitif).

Le ''filtre d'entrée'' est utilisé pour atténuer l'interférence électromagnétique générée par les étages haute fréquence du ballast. Il protège aussi le ballast contre d'éventuels phénomènes transitoires du réseau.

Le ''redresseur'' consiste en un pont de diodes et un condensateur de filtrage de la tension au niveau du bus continu. Ce type de conversion est caractérisé par un facteur de puissance très faible et donc des perturbations harmoniques sont attendues notamment en harmonique 3.

L'étage haute fréquence consiste en général en un ''onduleur en demi-pont capacitif''. Ce dernier permet l'alimentation de la lampe en haute fréquence et l'inductance en sortie de l'onduleur permet de limiter de courant dans la décharge.

Le dernier sous-système, celui dédié au ''contrôle du ballast'', est composé de système qui permettent d'injecter le courant correspondant pour chaque phase de fonctionnement de la lampe. Le système de contrôle peut être soit un système simplifié soit composé par des systèmes très complexes basés sur des microprocesseurs en fonction du type de ballast et de lampe.

Si des équipements de filtrage ne sont pas utilisés, la non-linéarité du ballast électronique introduit dans les réseaux électriques des perturbations harmoniques importantes. En effet, pour les équipements d'alimentation des lampes avec une puissance nominale supérieures à 25W, la ''correction du facteur de puissance'' est recommandée.

Deux types de solutions sont donc utilisées pour la correction du facteur de puissance : passives et actives.

Une des solutions de filtrage passif consiste en l'utilisation d'une inductance de valeur très importante à la sortie du redresseur et d'un condensateur en parallèle par rapport à la source de tension. Le facteur de puissance peut ainsi monter jusqu'à 0.95. Ce type de solution est robuste et économique. Cependant, la taille et le poids de ces solutions sont des éléments qui plaident en leur défaveur.

La solution active consiste en l'utilisation de redresseurs à prélèvement sinusoïdal. Deux solutions sont possibles :

# la première, plus utilisée, est le redresseur à diode couplé à une hacheur élévateur

# la seconde consiste quant à elle en un onduleur de tension à facteur de puissance unitaire.

Ces deux solutions permettent une extraction de l'énergie du réseau via des courants sinusoïdaux.

Le redresseur à diode couplé au hacheur élévateur possède deux étages de commande. Le contrôle interne a pour tâche de poursuivre un courant sinusoïdal redressé dont la phase est celle du réseau et dont l'amplitude est fournie par la boucle externe de réglage de tension du bus continu. La solution à base d'onduleur de tension est similaire avec toutefois une différence sur le courant poursuivi qui est cette fois-ci purement sinusoïdal.

Le redresseur à diode couplé au hacheur élévateur possède un asservissement du courant dans la bobine (iL) et de la tension de sortie du redresseur (Vs). Vu de la source, le convertisseur doit se comporter comme une résistance : i1 est sinusoïdal, en phase avec e1 (cos ϕ = 1). Par commande du transistor T, la régulation force iL à suivre une consigne de courant du type sinusoïdal redressé double alternance. De ce fait, nécessairement, la forme de i1 est sinusoïdale et en phase avec e1. De plus, pour maintenir en sortie la tension Vs à sa valeur nominale, la régulation agit sur la valeur moyenne de iL.
Un exemple de redresseur à diode couplé à une hacheur élévateur est donné ci-dessous :

Le ballast électronique rend la fréquence du signal électrique (courant et tension) aux bornes de la lampe en régime permanent et en régime de préchauffage bien plus élevée que celle de réseau (50Hz). En effet, l'alimentation de la lampe par une tension à haute fréquence permet d'éliminer le phénomène de papillotement et les effets stroboscopiques.

Le courant en régime de préchauffage est en retard sur la tension aux bornes de la lampe et que le courant en régime permanent est en phase avec la tension aux bornes de la lampe.

Les ballasts électoniques disposent de condensateurs antiparasitage responsables de la circulation d'un courant de fuite permanent de l'ordre de 0,5 à 1mA par ballast. Ceci conduit à limiter le nombre de ballasts qu'il est possible d'alimenter par un Dispositif Différentiel à courant Résiduel (DDR). A la mise sous tension, la charge de ces condensateurs peut provoquer également la circulation d'une pointe de courant dont l'amplitude peut atteindre quelques ampères ce qui peut provoquer le déclenchement intempestif.