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CEM et LED
Tout appareil électrique génère d’une part des émissions électromagnétiques et peut d’autre part être
plus ou moins influencé par des perturbations électriques et électromagnétiques (immunité). Cette influence
entre appareils est appelée compatibilité électromagnétique (CEM). La notion EM RF (champs
électromagnétiques) s’est imposée pour l’influence des émissions électromagnétiques sur la biologie.
Normes de produits importantes pour la CEM et l’EM RF de luminaires
Norme
Thème
EN 55015 / CISPR15
Emission
EN / IEC 61547
Immunité
EN / IEC 61000-3-2
Harmoniques
EN / IEC 61000-3-3
Vacillement
EN / IEC 62493
EM RF
Parmi les différents phénomènes CEM, pour les LED de substitution et LED à courant alternatif, ce sont surtout les perturbations conduites,
perturbations rayonnées, la génération d’harmoniques et l’immunité vis-à-vis des perturbations pulsées qui sont intéressantes. D’une manière
générale: plus il y a d’électronique, plus il y a de problèmes CEM.
Pour se faire une idée de la situation des LED CA du point de vue de la CEM, le laboratoire CEM d’Electrosuisse a testé et mesuré des LED CA
et autres des fabricants Philips, LG, Samsung, Osram, Segula, Conrad, Toshiba Micronetics, XQ-Lite, Lightway, Panasonic, Sunlux et Seoul
Semiconductor. La Table 2 donne un aperçu des variantes testées. Etant donné que la grandeur des échantillons testés lors du sondage n’est pas
représentative, on a renoncé sciemment à indiquer le type correspondant. On obtient néanmoins un aperçu précieux des points forts et points
faibles des LED CA.
Rayonnement perturbateur
Une ampoule à incandescence ne génère aucune perturbation conduite ni rayonnée. Pour les LED CA, qui n’ont qu’un circuit passif, le même
comportement était attendu et a été confirmé. Aucune des LED CA mesurées et à circuit passif n’émettait de rayonnement perturbateur.
Parmi les 13 produits à électronique active mesurés, un seul dépassait la limite. La plupart des autres lampes à électronique active ont tout juste
respecté la limite, quelques unes avec une bonne réserve (Fig. 5).
Un des produits que les mesures permettent de considérer comme une solution technique avec seulement peu d’électronique tout en n’étant pas
une pure LED CA, n’a présenté que de faibles émissions.
30
40 50
100
200
300
400 500
1000
Fréquence / MHz
Tension perturbatrice
Pour l’évaluation de l’émission conduite, on mesure la tension perturbatrice transmise par le câble secteur. Les LED CA à circuit passif ont de nets
avantages étant donné que la tension perturbatrice est respectée avec une grande réserve.
Pour les LED de substitution à alimentation à découpage intégrée, c’est différent. Les flancs raides nécessaires à une commutation à faibles pertes
présentent un potentiel de perturbation élevé malgré la puissance relativement modeste de quelques watts.
Le fait que la limite ne soit que tout juste respectée (Fig. 6) n’est pas surprenant car étant donné l’immense pression des coûts, les fabricants ne
montent que le minimum absolu de composants de déparasitage, souvent de qualité inférieure. La bonne durée de vie utile des LED est alors liée à
une électronique de ballast qui ne répond que tout juste aux exigences et présente en outre une probabilité de panne beaucoup plus élevée. Même si
le rendement est beaucoup plus élevé qu’avec l’ampoule à incandescence, les composants électroniques de la LED de substitution deviennent très
chauds. Cela réduit encore la durée.
Ici, les concepts à LED à courant alternatif présentent un avantage évident. Les émissions sont très inférieures aux limites et chaque composant
auquel on a renoncé prolonge la durée tout en réduisant les coûts (Fig. 7).
Fréquence / MHz
Fréquence / MHz
EM RF
Il n’existe que depuis quelques années des exigences au niveau EM RF des luminaires. Etant donné que les mesures nécessaires à l’essai CEM
sont plus étendues qu’avec d’autres appareils, il suffit de mesurer le champ électrique dans la plage de 20 kHz à 10 MHz (Fig. 8). Le résultat d’une
évaluation selon CEI / EN 62493 est une valeur sans dimension appelée facteur F qui ne doit pas être supérieure à 0,85
(Table 2).
Les résultats des mesures EM RF des LED CA sont très réjouissants bien que la distance de mesure ait été choisie courte avec 30 cm. Pour une
lampe de bureau ou de chevet, la distance effective doit être aussi proche, la distance typique de la source lumineuse à la tête est cependant bien
supérieure en pratique.
L’effet biologique de toutes les sources lumineuses mesurées est faible. Pour les LED CA, il est très proche des lampes à incandescence, pour les
systèmes actifs, inférieur à celui des lampes à économie d’énergie.
Harmoniques
Toute consommation de courant non linéaire sur le réseau d’alimentation génère des harmoniques de la fréquence du réseau 50 Hz. Strictement
parlant, cela vaut également pour la lampe à incandescence étant donné que le filament de tungstène est un conducteur à froid. La part
d’harmoniques est cependant très faible et donc négligeable.
La mesure se fait selon la norme CEI/EN 61000-3-2 avec les limites de la classe C pour dispositifs d’éclairage. Ces valeurs limites sont
dynamiques, c'est-à-dire qu’elles sont dérivées de la puissance active effective. Pour une puissance de plus de 25 W, la norme est applicable à toutes
les sources lumineuses et les limites doivent être respectées par toutes les technologies.
Pour une consommation inférieure à 25 W, l’évaluation normative ne peut encore actuellement être appliquée sur le plan juridique étant donné
que les limites pour une consommation inférieure à 25 W ne sont applicables qu’aux lampes à décharge. Etant donné ce vide normatif, la mesure et
l’évaluation pour LED de faible puissance ne sont possibles que comme interprétation ou à titre informatif. Il y a bien depuis des années un projet de
norme prévoyant l’application générale des mêmes limites, à partir de 5 W, que pour les lampes à décharge de < 25 W. Mais jusqu’à présent, il n’a pas
encore été possible d’arriver à un consensus ou à une décision. Le prochain avenant à la norme EN/CEI 61000-3-2 paraîtra malheureusement aussi
sans l’intégration de la technologie LED.
Suivant le circuit utilisé, les LED de substitution et à courant alternatif génèrent plus ou moins d’harmoniques. Une alimentation à découpage à
PFC (Power Factor Correction) active générerait très peu d’harmoniques mais au prix d’une complexité considérable au niveau de l’électronique. Etant
donné la faible consommation des LED de substitution, des solutions seraient possibles également avec des éléments passifs.
Parmi toutes les LED de substitution considérées, environ la moitié respecte les limites pour > 25 W des harmoniques mesurées à titre informatif
avec la classe C. Pour les LED CA, les valeurs limites de la classe C peuvent être réalisées par adjonction de résistances et condensateurs, ce qui
cependant réduit légèrement le rendement global.
Les nouveaux concepts des LED CA donnent de bonnes valeurs pour les harmoniques. Le produit Acrich2 avec les groupes de LED commutés
donnent même de très bons résultats. La consommation sur le réseau est si proche du sinus idéal que non seulement les valeurs limites informatives
pour la classe C > 25 W sont respectées mais même dans l’ensemble toutes les harmoniques, bien qu’elles soient converties pour la puissance active
de 18 W (Fig. 9).
O
0,15
300
0,10
200
0,05
100 >
0
<
E 0,00 E
W
-0,05 -200
0,10
-300
-0,15
4 a 12
Harmoniques
16
20
24
28
32
36
40
Immunité à la surtension
Une impulsion à haute énergie sur le réseau électrique, telle qu'elle peut se produire sous l'effet de la foudre tombant sur le réseau, se traduit
généralement sans grand dommage par une lumière momentanément plus forte; dans le pire des cas, le filament brûle, comme cela peut aussi arriver
en fin de vie utile en service normal. La tension d'impulsion résiduelle dans la distribution électrique d'une maison lors d'un coup de foudre est simulée
par ce qu'on appelle une impulsion de choc (ou surge).
La norme d'immunité pour luminaires englobe ici une particularité favorable aux fabricants. Au lieu de la tension d'essai de 1000 V courante dans
le domaine domestique, les luminaires de puissance inférieure à 25 W ne sont testés qu'à 500 V.
Pour la série de mesures "surge", on s'attendait à une défaillance précoce de quelques produits. A partir de l'essai préalable avec chaque fois cinq
impulsions de +500 V et -500 V, la tension d'essai a été portée successivement à 800 V, 1000 V, 1500 V et 2000 V. Lors de tous ces essais
supplémentaires, il a été appliqué tous les angles de phase de 0 °, 90 °, 180 ° et 270 ° avec chaque fois cinq impulsions, soit 40 impulsions par
tension.
Le résultat est réjouissant. Seuls deux des produits testés se contentent du minimum normatif et un seul produit a été défaillant à 1000 V.
La moitié des produits ont même supporté un passage complet jusqu'à la tension d'essai de 2000 V et conviennent donc également à l'utilisation
en plein-air ou sur réseaux industriels à potentiel élevé de perturbations.
Conjointement à une protection primaire côté installation, il est possible d'accroître encore la fiabilité et la durée des sources lumineuses.
Immunité au vacillement
Le vacillement est un point important surtout avec les produits de puissance moyenne et élevée. Un appareil ne doit influencer la tension de réseau
par des changements de la consommation de puissance que dans certaines limites. Ce genre de répercussion sur le réseau est standardisé par la
courbe de vacillement. La courbe déterminée de manière empirique sur la base de la lampe à incandescence de 60 W correspond à la courbe de gêne
provoquée par les différences de luminosité sur l'œil humain et sa perception consciente et inconsciente.
Il n'est techniquement pas possible d'atteindre les valeurs limites des répercussions sur le réseau avec des appareils ou sources lumineuses
consommant quelques centaines de watts.
En revanche, l'inverse est très intéressant pour les sources lumineuses dans la comparaison des différentes technologies. L'objectif des tests était
d'évaluer qualitativement la sensibilité au vacillement des différentes sources lumineuses LED entre elles et avec la lampe à incandescence 60 W de
référence de même qu'avec la lampe à économie d'énergie.
On a examiné la variation de luminosité pour un sinus 50 Hz normal de la tension de réseau. Les lampes à incandescence provoquent bien,
comme on peut s'y attendre, des variations de luminosité de 100 Hz, mais la luminosité ne tombe pas à zéro étant donné la persistance de luminosité
du filament de tungstène.
La plupart des LED de substitution à régulateur à coupure de phase ne présentent que peu de variations de luminosité ou même aucune, étant
donné que les LED elles-mêmes sont alimentées en courant continu régulé.
Les lampes à économie d'énergie ne présentent également que de faibles variations de lumière, du même ordre de grandeur que pour la lampe à
incandescence.
Un inconvénient apparaît dans le cas de la LED à courant alternatif. Les variations de tension influencent l'intensité lumineuse plus nettement que
les autres technologies. A la fréquence de réseau de 50 Hz, ceci est encore mesurable mais invisible pour l'œil humain.
La norme EN/CEI 61000-4-15 contient des tables pour les variations admissibles de la tension de réseau en fonction de la fréquence de variation,
pour une modulation tant sinusoïdale que rectangulaire.
Afin d'obtenir une indication qualitative de la sensibilité au vacillement des LED de substitution ou LED CA en comparaison de la lampe à
incandescence de référence, on a examiné les variations de luminosité en deux points. Il en a résulté deux constatations surprenantes:
Lors des tests de vacillement, on a remarqué qu'indépendamment de la technologie de la source lumineuse, la modulation à 25 Hz et une variation
de tension de 1 % était beaucoup plus fortement ressentie qu'au point supposé critique selon la norme à 8,8 Hz avec 0,29 %. Il est intéressant de
constater que même quelques LED de substitution à régulateur à impulsions intégré présentaient des faiblesses lors de ces perturbations à basse
fréquence.
Résumé
Les LED à courant alternatif ne sont pour l'instant qu'un produit de niche. Mais plusieurs fabricants ont déjà commercialisé des approches
différentes. La suppression de l'électronique de commande et des condensateurs électrolytiques fait que les éléments les plus faibles du régulateur à
coupure de phase ont disparu des systèmes d'éclairage LED. Les quelques composants passifs et semi-conducteurs nécessaires peuvent être
dimensionnés à faible prix tout en étant néanmoins robustes.
Les valeurs d'émission pour CEM et EM RF sont très bonnes ou même à la limite mesurable, il n'y a que peu d'harmoniques, la plupart des LED
CA testées sont en outre variables.
Etant donné les impédances de toute manière intégrées, la plupart des produits ont une bonne à très bonne immunité contre les impulsions de
surtension.
Le seul point faible est la sensibilité au vacillement. Etant donné le temps de réaction court des LED, les variations de tension se traduisent
généralement directement en variations de luminosité. Les principes modernes permettent d'atténuer quelque peu ces effets, la lumière absolument
homogène n'a cependant pas été atteinte par quelques-unes des LED de substitution testées à régulateur par impulsions. Mais même quelques-unes
des lampes de substitution ont révélé des faiblesses à certaines fréquences de variation de tension du réseau. Dans de nombreux domaines
d'application, la sensibilité au vacillement des LED CA ne joue cependant pas un grand rôle.