Gradation : théorie

Introduction

La gradation consiste à pouvoir moduler le flux d’une source lumineuse à partir d’un dispositif de commande manuel (bouton poussoir par exemple) ou automatique (détecteur de luminosité par exemple) : ces deux notions de gradation et de commande sont indissociables, et les composants et les modes de fonctionnement s’entremêlent.
→ Voir le tableau synthétique ci-dessous.

Cette page n’est dédiée qu’aux théories, d’une part de la gradation et d’autre part de la commande, pour la pratique, voir ici.

Approche client

De plus en plus l’approche par besoin ou type d’application est favorisée par rapport à l’approche par technique ou par principe de fonctionnement : les fabricants développent des ensembles tout prêts pour les couloirs, les salles de classe, les gymnases…. peu importe la technologie qui est utilisée, le client exprime son besoin et la plupart des solutions sont déjà prêtes ! → Voir la fonction corridor ci-dessous ou les applications par pièce/bâtiment.

Attention aux confusions

Attention à ne pas confondre les différents termes qui sont souvent superposés/mélangés et qui peuvent désigner des composants et/ou des modes de fonctionnement :

  Commande :
transmission de l’information de gradation
Gradation :
fonctionnement en lui-même
Composant principal Composant annexe Codage/décodage ou protocole Composant Mode de fonctionnement
Exemples – Interrupteur bouton poussoir
– Potentiomètre 1/10V
– Interface tactile
– Détecteur de présence
– Détecteur de mouvement
– Détecteur de luminosité…
– Routeurs
– Relais
– Alimentation
– Convertisseurs
– 1/10V
– Bouton poussoir
– DALI
– DSI
– DMX…
– Variateur à découpage de phase
– Ballast et alimentation électronique gradable
– Réducteur de puissance avec ballast magnétique spécifique
– Variation de fréquence
– Découpage de phase
– Modulation d’amplitude
– PWM

Les lampes et la gradation

Faire varier le flux d’une lampe peut être réalisé grâce à différentes techniques qui dépendent de la technologie de la source :
– la variation à découpage de phase pour lampes incandescences/halogènes, → voir ci-dessous
– la réduction de puissance associé à un ballast magnétique spécifique pour les lampes à décharge de forte puissance (c’est-à-dire >150 W) : il ne s’agit d’ailleurs pas à proprement parler de gradation mais plutôt de passer le flux de 100% à un seuil de 40/50%
– l’augmentation de la fréquence du courant (passage de 40 000 à 90 000 Hz par exemple) pour augmenter l’impédance et donc diminuer l’intensité du courant et la puissance pour les lampes à décharge dont la puissance est ≤150 W
– La modulation d’amplitude (signal analogique) et/ou la modulation de largeur d’impulsions d’un signal (PWM) des alimentations électroniques gradable pour les LED, → voir ci-dessous.

Gradations des sources

Il parait peut-être naturel de pouvoir faire varier le flux lumineux des sources – car des habitudes ont été prises par le particulier pendant des années notamment avec les lampadaires halogènes – mais faire varier le flux à l’intérieur d’une lampe peut se révéler compliqué. En effet, suivant leur fonctionnement et leur année de création, les sources n’ont pas forcément été prévues pour la gradation (lampes sodium ou halogénures par exemple) ou n’ont pas un principe de fonctionnement qui leur permettent de changer la valeur de leur flux lumineux : il est par exemple impossible que les lampes sodium ou halogénures fonctionnent actuellement à petite puissance (elles « décrochent » – voir décrochage – aux alentours de 40% du flux).

Voir le tableau récapitulatif ci-dessous :

Type de source Sous-type de source Composant de la gradation Principe de fonctionnement de la gradation Particularité
Lampe incandescence ou halogène Variateur à découpage de phase Découpage de phase
Lampes à décharge Fluorescence Ballast électronique gradable Augmentation de la fréquence pour augmenter l’impédance donc diminuer l’intensité du courant, donc la puissance et donc le flux lumineux L’efficacité diminue avec la baisse du flux
Sodium/halogénures métalliques*
(Puissance ≤150W)
Sodium/halogénures métalliques
(Puissance >150W)
Réducteur de puissance sur 1 unique seuil (de 100% à environ 40/50%) avec un ballast magnétique spécifique à 2 enroulements Autre seuil de travail L’efficacité diminue avec la baisse du flux
Sodium basse pression et vapeur de mercure Impossible
LED/OLED Alimentation électronique gradable Modulation d’amplitude (AM) d’un signal et/ou modulation de largeur d’impulsions (PWM) L’efficacité s’améliore avec la baisse du flux (pour les LED mais l’efficacité baisse au moins autant pour les alimentations)

Décrochage vers 40% du flux donc attention au mode de commande (notamment bouton poussoir et 1/10V) : si la lampe décroche, il est alors nécessaire d’attendre qu’elle refroidisse pour la rallumer, ce qui peut durer quelques minutes

La théorie de la gradation

Introduction

Le fait de pouvoir réduire ou augmenter le flux lumineux d’une source dépend essentiellement de la technologie de cette dernière. Les moyens sont variés et nous vous proposons ici un éclairage d’une part sur le découpage de phase et d’autre part sur la technique de modulation de largeurs d’impulsion (PWM).

Le découpage de phase

Ce système appelé également « commande par angle de phase » a un principe simple : il consiste à couper régulièrement (toujours la même durée par demie période) l’alimentation électrique durant un temps plus ou moins long suivant l’intensité de la gradation souhaitée.

Schéma explicatif
Une partie du courant électrique est coupée régulièrement, ce qui diminue d’autant le flux des lampes :

gradation-rapport_cyclique

 

En pratique, ceci est réalisé par un boitier électronique. Ce procédé est encore utilisé par le grand public (lampadaire halogène par exemple) ou dans des segments de marché très spécifiques comme les salles de spectacle.

PWM

Le PWM (Pulse Width Modulation) est une technique de modulation de largeur d’impulsions d’un signal. Cette technique peut être utilisée pour grader les LED : l’électronique incluse dans les alimentations gradables permet de découper le signal continu de manière à ce que la moyenne du signal corresponde à la gradation souhaitée.

Schéma explicatif

En voici le principe (qui est d’ailleurs basé sur le même fonctionnement que le découpage de phase, mais en courant continu) :

gradation-pwm

 

Scintillement, papillotement ou flickering

Le principe du PWM peut avoir un effet perturbant : en effet, les modulations induites par ce système peuvent générer un phénomène qui peut provoquer une gène pour l’utilisateur qui aura l’impression que la lumière « papillote » ou « scintille ».  Ceci est dû au fonctionnement de l’œil qui ne voit qu’un certain nombre d’images par seconde : si la fréquence des allumages /extinctions est inférieure à 70 Hz, l’œil pourra percevoir ces phénomènes et aura une désagréable impression d’allumage non continu (ce phénomène n’est pas perceptible mais sensible jusqu’à 200 Hz environ).
Afin de pallier cet inconvénient qui peut provoquer des migraines et des fatigues oculaires, les fabricants d’alimentations haut de gamme préfèrent le principe analogique de modulation d’amplitude (c’est à dire que l’intensité du courant baisse en fonction de la gradation souhaitée). Cette technologie est plus onéreuse et peut laisser apparaître quant à elle des défauts colorimétriques et d’homogénéité d’intensité pour les faibles intensités : certains fabricants mixent donc les deux principes, la modulation d’amplitude de 30% à 100% et le PWM pour une gradation inférieure à 30%.

La théorie de la commande

Les protocoles ou codage/décodage des commandes de la gradation vont du plus simple au plus compliqué (donc du moins performant au plus performant) et le choix peut influencer fortement la performance énergétique, voir également la performance de la gradation et le LENI.

Le 1/10V (ou 0/10V)

Ce système analogique est le premier niveau de la commande : il est simple et bon marché.

Un courant continu et de tension variable entre 0 et 10V (d’où le nom) passe dans les fils de commande du ballast. Les variations du potentiomètre permettent de faire varier de manière proportionnelle le flux lumineux des sources.

gradation-1_10v

Conséquences :
– les fils de commandes ne sont pas interchangeables donc attention à la polarité au niveau du câblage des fils de commande
– deux potentiomètres ne peuvent pas commander un seul ballast gradable 1-10V (donc pas de va-et-vient possible)
– le système est sensible à la chute de tension en cas de grande longueur de câble de commande donc perd de sa précision voire peut dysfonctionner (les luminaires proches du potentiomètre peuvent émettre plus de flux que ceux qui sont très loin par exemple)
– le système est également sensible aux perturbations du courant électrique.

Le Bouton Poussoir (appelé également BP ou « switch control ») et fonction Corridor

Ce système donne plus de possibilités que le 1-10V mais il est également simple et bon marché.

Le principe physique est différent car ici seules des impulsions électriques en 230V (ce qui permet de ne pas être sensible aux perturbations) sont envoyées dans les fils lorsque le bouton poussoir est actionné. Ces impulsions permettent de transmettre un signal que décode le système électronique du ballast pour faire varier le flux lumineux des sources. Ce système est couramment utilisé pour les interrupteurs des lampadaires par exemple où une pression longue permet de grader le luminaire dans un sens ou dans l’autre.

Suivant les modèles de ballasts/drivers, ces derniers peuvent garder la mémoire de la dernière valeur, y compris après coupure de courant pour certains modèles.

Conséquences :
– les fils de commandes sont interchangeables c’est-à-dire qu’il n’y a pas de polarité (sauf dans le cas d’une mise en parallèle)
– les boutons poussoirs et les ballasts/drivers peuvent être mis en parallèle

La fonction Corridor

Cette fonction singulière illustre bien les nouvelles approches de la gradation. En effet, son nom montre immédiatement qu’il ne s’agit pas là d’un principe physique de fonctionnement mais d’une approche par type de pièce ou par type d’application. Cette fonction – basée sur le fonctionnement du bouton poussoir donc par impulsions 230V – permet d’avoir un minimum d’éclairement 24h/24h pour des raisons de sécurité et d’augmenter l’éclairage dès qu’une présence est détectée. Les durées et les seuils sont généralement paramétrables.

Le DSI (Digital Serial Interface)

Il s’agit d’un protocole propre à la société TRIDONIC.

Le fonctionnement numérique (système binaire : l’information est portée par des 0 et des 1 comme pour l’informatique) de ce système permet beaucoup de souplesse et une gestion fine des flux des sources. La gestion est monodirectionnelle (l’information part aux ballasts/drivers mais ne peut revenir) et non adressable (voir adressage) : tous les ballasts connectés sur un même bus DSI réagiront de la même façon (notion appelée broadcast en informatique).

La distance maximale de câblage est à vérifier selon les produits et le branchement des fils de commande est là également interchageable.

Perturbations et numérique

Le fonctionnement numérique est peu sensible aux perturbations du courant électrique comme le montre le schéma ci-dessous :

gradation-dsi

Le DALI (Digital Addressable Lighting Interface)

Il s’agit d’un protocole métier (réservé à l’éclairage) complexe mis en place par les principaux fabricants de ballasts pour contrôler les luminaires, voir le site dédié au DALI.

Le principe physique est un fonctionnement numérique (dont le principe est celui du DSI ci-dessus mais avec un protocole et des caractéristiques différentes) qui est également peu sensible aux perturbations et qui permet un contrôle total de l’installation. Contrairement au DSI, le DALI propose :
– un adressage des différents composants (alimentations/ballasts ou détecteurs par exemple), ce qui permet de maîtriser la variation luminaire par luminaire (plus exactement ballast/alimentation par ballast/alimentation) en fonction de paramètres extérieurs (présence ou luminosité par exemple)
– un flux bidirectionnel (l’information peut revenir du luminaire ce qui permet de savoir par exemple si une source ou un appareillage est défectueux).

Il est possible d’intégrer sur un bus DALI toutes sortes de composants :
– ballasts 1-10V par l’intermédiaire d’un convertisseur,
– lampes incandescences ou halogènes à l’aide d’un dimmer,
– stores ou portes avec un relais,
et de relier le tout à une GTB (Gestion Technique du Bâtiment, voir ci-dessous) à l’aide d’une interface spécifique.

Schéma synthétique

gradation-protocole_dali

Le branchement des fils de commande est là également interchageable.

Un bus DALI nécessite généralement une alimentation spécifique et peut gérer 64 adresses, 16 groupes et 16 scènes (au delà, un routeur est nécessaire pour relier les différents bus). Pour le câblage il est nécessaire de respecter 300m maximum avec du fil de 1,5mm² entre l’alimentation et le dernier ballast.

DALI

Le protocole DALI est également couramment utilisé de manière limitée, à savoir de manière non adressable et monodirectionnel, c’est-à-dire comme le DSI. Ce type d’utilisation est appelé DALI broadcast.

Attention

Le mot DALI peut prêter à confusion car il peut signifier :
– un bus DALI où il est possible de mettre des ballasts 1-10V par exemple par l’intermédiaire d’un convertisseur
– un bus DALI broadcast, voir ci-dessus
– un ballast « DALI », c’est-à-dire en général un ballast qui a la fonction DALI (donc généralement un ballast haut de gamme) mais qui possède également d’autres fonctions et qui peut donc être utilisé avec d’autres protocoles (bouton poussoir par exemple).

DALI2 : une évolution intéressante du protocole DALI

Le protocole DALI2 est apparu fin 2015 pour améliorer le protocole DALI créé plus de 15 ans auparavant. Les principales évolutions sont :

  • Une certification des produits portée par le logo DALI2 qui est donc une marque de certification : seuls les produits certifiés peuvent avoir ce logo. Cette certification est obligatoirement faite par une tierce partie (et n’est plus basée comme la première version sur une auto déclaration).
  • Des fonctionnalités supplémentaires et une interopérabilité sensiblement améliorée.

Le DMX

Ce protocole numérique est essentiellement utilisé dans l’éclairage dynamique et scénique. Il apparaît assez peu dans l’éclairage intérieur sauf pour des situations très particulières comme la variation dynamique de la couleur.

Le système est particulièrement adapté à cette gestion complexe car il permet de gérer 512 canaux en affectant une valeur comprise entre 0 et 255. Chaque canal peut être affecté à un angle de rotation ou à une couleur par exemple. Des trames (appelées trame DMX) comportant les informations des 512 canaux sont envoyées 44 fois par seconde (44Hz) à tous les éléments connectés. Le DMX évolue et est par exemple est devenu bidirectionnel il y a quelques années.

Un protocole appelé Art-Net permet d’intégrer ces trames DMX dans un réseau Ethernet pour gérer plus facilement un grand nombre de canaux DMX.

Le « sans fil » (wireless)

Le grand intérêt du « sans fil » est d’éviter de devoir passer deux fils supplémentaires pour passer l’information, ce qui entraîne des coûts additionnels importants. Cette technologie est peu répandue car il n’existe que des solutions locales développées par des sociétés diverses et donc pas de standard indispensable à une appropriation rapide par le marché.

Aucune solution ne s’est donc imposée actuellement mais divers protocoles existants sont utilisés dans ces transmissions d’informations comme le Bluetooth, le ZigBee, le Wifi et bientôt Thread. Des solutions « locales » – comme EnOcean qui permet de transmettre une commande de manière piézoélectrique, c’est à dire que l’énergie de la pression sur l’interrupteur suffit à envoyer une commande et évite donc de câbler l’interrupteur – sont également disponibles sur le marché et fonctionnent avec leur propre protocole.

Les solutions sans fil nécessitent un relais dans le plafond ou le luminaire pour transmettre la commande. Cette fonction n’est pour l’instant pas assumée (ou de manière très exceptionnelle) par les ballasts ou les alimentations LED et il est donc nécessaire d’ajouter un boitier supplémentaire intermédiaire : l’utilisation du sans fil est donc généralement limitée à transmettre la commande à un premier niveau (utilisateur => relais) pour retrouver ensuite les protocoles plus classiques (relais => DALI par exemple). Il est possible d’avoir par exemple un smartphone en WIFI pour envoyer une commande à un bus DALI (par le Cloud) ou avec un interrupteur EnOcean de transmettre une commande ON/OFF à un relais.

Des alimentations LED utilisant le protocole IP (Internet Protocol) sont arrivées depuis 2017 sur le marché et pourraient bousculer la manière de gérer les luminaires et même le bâtiment intelligent dans sa totalité.

Les Courants Porteurs en Ligne (CPL)

La solution des courants porteurs consiste à transmettre l’information en superposant un signal de commande au courant électrique alternatif de puissance. Ce signal est de faible énergie et de plus grande fréquence et ne perturbe pas le courant électrique principal. Elle nécessite en entrée et en sortie de signal un dispositif pour codage/décodage de l’information.

Cette solution technique semble intéressante en théorie car elle ne nécessite pas de fils de commande supplémentaires mais fonctionne mal en pratique dans les installations intérieures à cause des différentes perturbations électriques générées dans le réseau (comme par les moteurs par exemples). Elle est par contre utilisée couramment pour l’éclairage extérieur.

Des solutions propres sont apparues récemment sur le marché de l’éclairage intérieur en transmettant une information beaucoup plus fiable et avec moins de débit : le principe consiste à ne faire passer que deux informations Oui/Non par période, ce qui rend le codage très robuste et suffit pour gérer la gradation d’un groupe de luminaires.

Power over Ethernet (PoE)

Littéralement « Puissance par dessus Ethernet », cette technique consiste comme les CPL ci-dessus à n’utiliser qu’un câble pour faire passer à la fois la puissance et la commande. Mais l’approche est ici bien différente car il s’agit de prendre un câble de commande Ethernet (type RJ45) et de faire passer le maximum de courant en profitant notamment les fils non utilisés.

Cette technique permet de faire passer de petites puissances (15W en standard, 30W en version PoE+ et 90W en PoE++) et peut donc suffire pour alimenter des luminaires. Cette technologie est une des possibilités pour avoir des luminaires connectés IP (les premières alimentations LED avec protocole IP sont arrivées en 2017 et, à la grande différence de tous les protocoles de cette page, peuvent proposer des services : géolocalisation, confort, sécurité, santé….), avec le sans fil et le PaE (Power and Ethernet, c’est à dire câble de puissance 230V standard 3 fils et RJ45).

Le PoE pourrait avoir un développement important dans le futur grâce à l’utilisation massive du protocole IP comme protocole universel (voire 4ème fluide) dans le bâtiment (voir à ce propos le travail de la SBA) et à l’augmentation de l’efficacité des LED/OLED (donc de la diminution des puissances en jeu pour un éclairement donné).

La GTB/GTC

La GTB (Gestion Technique du Bâtiment) – appelée également GTC (Gestion Technique Centralisée) – est un système informatique qui permet de gérer la globalité des équipements d’un bâtiment. Les normes régissant cette gestion sont nombreuses.

Cette gestion demande un important travail en amont (voir projet d’éclairage) mais permet des économies d’énergies importantes si les différents équipements sont prévus pour interagir ensemble : par exemple, relier les stores,  la lumière du jour, l’éclairage artificiel, la présence et le chauffage/climatisation.

Une GTB comprend généralement un réseau qui parcourt le bâtiment, des équipements et des détecteurs ainsi qu’un poste informatique de contrôle. Ce dispositif est réservé aux bâtiments de grande taille.

KNX, BACnet et LonWorks sont des protocoles transversaux interopérables très utilisés en GTB, voir leurs sites dédiés : ils nécessitent des passerelles pour pouvoir communiquer entre eux et avec d’autres protocoles, comme le DALI par exemple.

Synthèse

A noter

Ces différents protocole ou codage/décodage sont théoriquement adaptables à toutes les techniques de gradation mais la pratique rend certaines compatibilités peu pertinentes, se référer aux documentations des fabricants pour plus de détails.

Voici un résumé des différents moyens de transmettre la commande de la gradation, sachant que chaque bâtiment a sa propre spécificité et que les solutions en constante évolution sont à appliquer au cas par cas (de plus, différents protocoles peuvent être utilisés de manière concomitante, par exemple du 1/10 avec un bus DALI) :

Protocole de commande Idée d’utilisation Type Perturbations Complexité Performance Scenario Prix
1-10V Application très localisée Analogique Sensible  Faible Faible  Non Très faible
Bouton Poussoir Lampadaire, petit bâtiment Peu sensible Moyen  Moyenne  Non Faible
DSI Bâtiment de taille moyenne Numérique Peu sensible Moyen Bonne Possible Moyen
DALI broadcast
DALI Bâtiment de grande taille Numérique
adressable
Peu sensible Forte Très bonne Possible Cher
DMX Gestion dynamique de la couleur Numérique
adressable
Peu sensible Forte Non applicable Possible Cher
Sans fil Suivant technologie Suivant technologie Suivant technologie Suivant technologie Suivant technologie
Courant Porteur en Ligne Eclairage extérieur Numérique
adressable
Très sensible en standard Moyen Bonne Possible Moyen
Power Over Ethernet, IP
Bâtiment du « futur » Numérique
adressable
Peu sensible Forte Très bonne Possible Moyen

La GTB ne peut être mise en place que pour les bâtiments de taille relativement importante et peut s’interconnecter avec les différents systèmes ci-dessus par l’intermédiaire de passerelles et d’automates.

Accueil – Gradation : Composants – Performances – Normes et règlements – Définitions