Avec la disparition des ampoules incandescentes et halogènes en raison de leur piètre rendement énergétique, nous sommes invités à remplacer les ampoules de nos lampes par des ampoules à LED équivalentes. Mais si vous aviez l'habitude de régler l'intensité de votre éclairage avec un variateur, vous avez certainement constaté que, souvent, le variateur existant ne fonctionne pas bien avec ces nouvelles ampoules. Pourquoi, et comment régler ce problème?
Pour comprendre le problème, il faut savoir qu'une ampoule à LED fonctionne de manière très différente des précédentes technologies.
Fonctionnement d'une ampoule
Pour allumer une ancienne ampoule, il suffit de faire passer de l'électricité à travers l'ampoule, dont le filament est un simple conducteur: peu importe les caractéristiques de la tension ou du courant, à partir du moment ou l'on fait passer assez d'énergie à travers le filament de l'ampoule - et pas trop pour qu'il ne grille pas - l'ampoule s'allume. Cela veut dire en particulier que les anciennes ampoules peuvent être alimentées directement par le courant du secteur, sans qu'aucune électronique supplémentaire ne soit nécessaire.
Pour les ampoules à LED, ça n'a rien a voir. Une LED est polarisée et ne s'allume que sur une plage de tension très restreinte. En dessous de la plage de tension spécifiée, la LED reste éteinte et ne conduit pas; en dessus, elle grille. Il faut donc au minimum redresser la tension alternative, la réguler et limiter le courant qui passe dans la LED à l'aide de composants électroniques. Dans le cas des nouvelles ampoules à LED qui ressemblent aux anciennes ampoules, ces composants sont cachés dans le culot de l'ampoule, ou dans le support plastique pour les remplacements d'ampoules halogènes. Pour des raisons de coût, cette électronique de régulation est souvent très simpliste et suppose que la tension qui lui est fournie est un joli sinus d'environ 230 VAC en Europe ou 110 VAC en Amérique, comme c'est normalement le cas avec la tension du secteur.
Une ampoule à LED 230V cache de l'électronique dans son culot
Fonctionnement d'un variateur
Le but d'un variateur est de réduire l'énergie fournie à l'ampoule, pour qu'elle s'allume moins fort.
Comme le réseau électrique est une source de tension alternative, la première idée qui vient à l'esprit est d'utiliser un transformateur variable, qui réduit proprement l'amplitude de la tension sinusoïdale du secteur. C'est en effet une possibilité, mais comme la taille du transformateur augmente rapidement avec la puissance, c'est une solution trop encombrante et trop chère pour avoir été retenue pour l'éclairage domestique:
Un transformateur variable 4A, c'est gros...
La solution classique consiste en un petit circuit électronique ultra simple, fait de trois composants seulement:
- une résistance variable, qui laisse passer une infime quantité de courant, variant selon l'intensité désirée
- un condensateur, qui accumule ce courant
- un triac, fonctionnant comme un interrupteur, qui laisse passer le courant vers la lampe dès que le condensateur a atteint un niveau d'énergie déterminé
Ce mécanisme de remplissage du condensateur qui ouvre le triac se produit à chaque demi-période du courant alternatif. Ainsi, en fonction de la valeur de la résistance variable, le condensateur se remplit plus ou moins vite, et le triac est ouvert plus ou moins longtemps.
Pour visualiser cela, nous allons utiliser notre nouveau Yocto-Watt-V2-C, qui va nous révéler la consommation instantanée de courant d'une ampoule à incandescence connectée à ce type de variateur durant le cycle de courant alternatif du secteur:
Effet d'un variateur classique sur la consommation d'une ampoule à incandescence
Ces mesures confirment que, plutôt que de réduire l'amplitude du sinus, le variateur limite l'énergie en tronquant le sinus au début de chaque phase. C'est la raison pour laquelle le nom scientifique de ce type de variateur est variateur à phase ascendante (forward phase ou leading edge dimmer en anglais).
Ce type de variateur pose deux problèmes par rapport à une ampoule à LED d'entrée de gamme:
- Le flanc vertical au début de chaque période correspond à une montée de tension assez violente. Comme l'électronique d'une ampoule à LED la plus simple comporte en entrée des diodes de redressement suivies d'un condensateur de régulation, cette montée de tension provoque des pointes de courant à chaque demi-période, qui auront pour effet une luminosité plus forte que souhaitée. Elles risquent aussi d'endommager les diodes de redressement et de réduire la durée de vie de l'ampoule.
- Un triac a tendance à se fermer tout seul lorsque la consommation électrique est trop faible. A faible intensité, avec une ampoule très économe, le triac risque de se fermer involontairement en cours de période et causer des scintillements.
On peut démontrer ces problèmes grâce aux mesures instantanées de courant effectuées par le Yocto-Watt-V2-C:
Variateur classique sur un ampoule à LED de base: ça ne marche pas!
On observe effectivement des pointes de consommation au moment où le triac s'ouvre, sans commune mesure avec l'intensité du variateur. Au final l'énergie transmise dans l'ampoule LED ne varie pas du tout comme attendu, ce qui explique que le variateur ne fonctionne pas du tout avec cette ampoule.
Comment régler le problème ?
L'origine du problème est donc l'inadéquation entre un variateur très simple, qui compte sur le fait que la lampe est une charge résistive, et une électronique d'ampoule très simple, qui compte sur le fait que le courant en entrée sera un beau sinus. Les deux ensemble, ça ne peut pas marcher.
On peut imaginer résoudre le problème de plusieurs façons:
- remplacer l'ampoule à LED par une autre dont l'électronique est plus subtile;
- remplacer le variateur par un modèle mieux adaptée aux ampoules à LED;
- remplacer l'ampoule et le variateur;
- remplacer la lampe par une lampe à LED avec variateur intégré.
La meilleure solution varie selon les cas. Même si on peut imaginer qu'à terme la plupart des lampes seront remplacées par des lampes à LED à basse tension, il est difficile aujourd'hui de justifier de jeter des appareils électriques fonctionnels sous prétexte de sauver la planète. Nous ne nous attarderons donc pas sur cette dernière solution.
Les ampoules à LED dimmable
Plutôt que d'acheter l'ampoule la moins chère, si l'on désire utiliser un variateur, il faut acheter une ampoule marquée dimmable sur l'emballage:
Les ampoules à LED 230V existent en version 'dimmable'
Dans ces ampoules LED améliorées, une électronique plus subtile permet d'une part de collecter l'énergie à l'aide d'une alimentation tolérante aux flancs tronqués, et d'autre part de piloter la LED avec une intensité variant en fonction de la tension moyenne mesurée sur le secteur. Voici le résultat obtenu avec le même variateur que précédemment, tel que mesuré par le Yocto-Watt-V2-C:
Variateur classique sur une ampoule à LED dimmable
Les pointes de consommation incontrôlées à l'allumage du triac ont disparu, au profit d'une ou plusieurs petites pointes de consommation contrôlées, centrées sur la période active du triac. L'énergie consommée durant chaque phase croît correctement en fonction de l'intensité choisie sur le variateur. Cette ampoule est donc compatible avec les variateurs à phase ascendante.
Il y a malheureusement quelques limitations à l'utilisation d'ampoules à LED dimmables:
- Elles ne sont pas (encore ?) disponibles dans tous les formats. Il manque notamment des ampoules de ce type pour les formats les plus compacts d'ampoules halogènes 230V, pour lesquelles on aimerait justement souvent utiliser un variateur...
- Toutes les ampoules dimmables ne se valent pas. L'électronique de cette ampoule OSRAM est excellente, mais rien ne dit que l'ampoule que vous achèterez deux fois moins cher ailleurs fonctionnera aussi bien.
- Elles consomment généralement un peu plus que les ampoules à LED de base, et sont plus chères.
Les variateurs à lampe LED
Si vous ne trouvez pas d'ampoule à LED dimmable, vous pouvez essayer un variateur électronique destiné spécifiquement aux ampoules à LED simples. Il s'agit d'un variateur à phase descendante, c'est-à-dire qu'au lieu de tronquer le sinus au début de la demi-période, il le tronque à la fin de la demi-période, afin d'éviter la pointe de courant à l'allumage qui pose problème à ces ampoules.
Voici pour commencer l'effet d'un variateur à phase descendante sur une ampoule à incandescence:
Effet d'un variateur à phase descendante sur une ampoule à filament
On observe que ce variateur électronique est capable d'éteindre complètement l'ampoule. Cependant, cela a un coût caché: lorsque l'ampoule est éteinte, le variateur continue de consommer un petit quelque chose. Le Yocto-Watt-V2-C nous révèle que cela représente 0,5 W. Cela peut sembler peu, mais c'est une consommation électrique 24h/24. En une journée, ce variateur éteint consomme autant qu'une ampoule LED économique équivalent 100W pendant presque 2h...
Si on l'utilise avec notre ampoule à LED bon marché, on arrive effectivement à faire varier l'intensité de la lumière, contrairement au variateur précédent. Le Yocto-Watt-V2-C nous révèle le fonctionnement attendu de l'alimentation de l'ampoule:
Variateur à phase descendante sur une ampoule à LED non-dimmable
À très faible intensité, on peut observer quelques clignotements, car la tension maximale présentée à l'ampoule est probablement insuffisante pour garantir la stabilité de son régulateur. Pour remédier à cela, le variateur dispose d'un réglage permettant de fixer un seuil minimal en dessous duquel il ne descendra pas. Mais dans l'ensemble, c'est utilisable.
Il faut aussi savoir que les variateurs à phase descendante ne sont pas une solution universelle pour toutes les lampes à LED. Pour les ampoules à LED, c'est bien, mais pour les lampes à LED avec un transformateur intégré, ils vont au contraire causer un problème: le flanc descendant abrupt lorsque le variateur coupe le courant n'est pas bon du tout pour les charges inductives, comme les transformateurs, et provoque une forte surtension pouvant endommager l'électronique. Il ne faut donc pas utiliser de variateur à phase descendante avec une lampe LED à transformateur...
Comment s'y retrouver ? En principe, depuis les années 2000, si le variateur est destiné à l'éclairage LED, il doit indiquer le type de charges auquel il est destiné, conformément à la norme européenne EN 60669-2-1:
- R pour les charges résistives (ampoules à filament, halogènes)
- C pour les charges capacitives (ampoules à LED de base)
- L pour les charges inductives (lampes à LED avec transformateur)
Le bon variateur à phase descendante avec lequel nous avons pu faire varier l'ampoule à LED de base est marqué R, L, C: un réglage permet de commuter entre phase descendante ou phase ascendante en fonction du type de charge. Nous l'avons acheté pour environ 35 EUR en grande surface.
En revanche, le produit ci-dessous, acheté dans le même magasin pour près de 85 EUR, ne fonctionne pas avec une ampoule à LED de base:
Malgré l'indication LED, ce variateur ne fonctionne pas avec les ampoules LED de base
Il a beau être cher, c'est un variateur à phase ascendante uniquement...
A priori, une bonne ampoule dimmable fonctionnera aussi bien avec un variateur C qu'avec un variateur L.
Verdict
Après toutes ces mesures, nous pouvons répondre de manière circonstanciée à la question de départ: Oui, il est possible d'utiliser un variateur avec des ampoules à LED, mais...
- Là où il n'y a pas de variateur, il est préférable d'utiliser les ampoules à LED simples les plus efficaces.
- Pour utiliser un variateur avec une lampe à LED avec transformateur, il faut prendre un variateur à phase ascendante (marqué L).
- Pour utiliser un variateur avec une lampe à LED sans transformateur, la solution idéale est d'utiliser une ampoule dimmable de bonne qualité, si elle existe. A priori, il n'est pas nécessaire de changer de variateur.
- Si aucune ampoule dimmable de la bonne taille n'est disponible, la seule solution est d'utiliser un transformateur à phase descendante (marqué C).
- Il faut éviter les lampes avec variateur électronique sans véritable interrupteur on/off, car le variateur consomme en permanence, même éteint.
Et vive le Yocto-Watt-V2-C qui nous a permis d'observer tout cela en direct !
