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Papillotement (flickering)

Introduction

Définition

Le papillotement en éclairage – ou scintillement (le terme anglais flickering est également largement répandu)correspond à l’impression subjective de fluctuations de la luminance de la source. Ces variations de l’intensité lumineuse proviennent des modifications des caractéristiques du courant électrique.

Historiquement, ce phénomène avait bien diminué avec l’apparition des ballasts électroniques pour les lampes et tubes à décharge mais l’utilisation de la LED (qui est très sensible au courant d’entrée) a remis ce sujet d’actualité.

Le papillotement est un phénomène bien connu et même normalisé pour la partie courant électrique (voir CEI 555-1 et NF EN 61000-3-3 Mars 2014 : compatibilité électromagnétique (CEM) – Partie 3-3 : limites – Limitation des variations de tension, des fluctuations de tension et du papillotement dans les réseaux publics d’alimentation basse tension pour les matériels ayant un courant assigné inférieur ou égal à 16 A par phase et non soumis à un raccordement conditionnel). Il est également mesurable depuis les années 1980 par des appareils appelés flickermètre (avec deux indicateurs, Pst pour des durées courtes – 10mn – et Plt pour des durées longues – 2h -).

Modulation temporelle

Le concept de “Modulation temporelle” est de plus en plus utilisé pour définir les fluctuations du niveau lumineux de l’éclairage. Les conséquences de la modulation temporelle sont multiples et provoquent des effets de type visuels, biologiques ou sanitaires (avérés ou non) et dépendent de la fréquence de la modulation.
Les deux conséquences les plus connues sont visibles par l’observateur, il s’agit d’une part du papillotement et d’autre part de l’effet stroboscopique.

Le concept de “modulation temporelle” est apparu récemment et il est encore courant de voir des confusions avec le “papillotement” (qui n’en constitue donc qu’un des effets visibles). Cela signifie donc que diminuer/supprimer le papillotement est à interpréter comme diminuer/supprimer les modulations temporelles, c’est à dire diminuer/supprimer totalement le phénomène et non une de ses conséquences.

Phénomène naturel

Le phénomène de papillotement peut être observé régulièrement dans la nature, que ce soit le soleil qui joue avec les nuages ou un feuillage sous une légère brise, ou tout simplement les flammes d’un feu virevoltant.

Voir ci-dessous une vidéo prise dans un train alors que le soleil jouait à cache cache avec les feuilles des arbres :

Vidéo papillotement naturel

Sensibilité des modulations temporelles

Ces modulations temporelles peuvent provoquer des céphalées ou des fatigues oculaires et peuvent donc constituer des troubles pour la santé, d’où l’importance du sujet.

Plus précisément, les conséquences peuvent être classées en deux types :
– pour les fréquences inférieures à 70 Hz, qui sont perceptibles par l’œil humain, avec des fréquences particulièrement sensibles aux alentours de 10 à 15 Hz  (il s’agit de phénomènes de type stroboscopique). Cela correspond également à la zone des crises d’épilepsie.
– pour les fréquences comprises entre 70 Hz et 200 Hz, qui ne sont plus perceptibles par l’œil mais uniquement par le cerveau et où les effets sont plus de l’ordre de maux de tête ou de baisse de performances visuelles.

La sensibilité du papillotement dépend également des individus, de l’amplitude de la variation de luminance et de l’intensité de l’éclairage.

Enfin, cet effet est observé sur certaines sources uniquement, en fonction du principe de fonctionnement et du type d’appareillage, voir les développements ci-dessous.

Les causes du modulations temporelles

La lumière des sources artificielles nous parait continue mais elle est bien souvent éteinte et allumée à une fréquence trop élevée pour que ce phénomène soit perçu. De plus, des variations de luminance (et non allumage et extinction totales) peuvent suffire à provoquer une gêne.

La modulation temporelle peut être générée par deux types de phénomènes :
– en amont du luminaire par un signal électrique fluctuant dans le réseau du bâtiment
– à l’intérieur du luminaire par l’alimentation (ballast ou driver), avec une sensibilité variable de la source.

En amont du luminaire

Le courant électrique dans les bâtiments est un courant alternatif de fréquence 50 Hz (qui correspond donc à 100 maxima et passages par 0 par seconde) propice au papillotement car dans les fréquences sensibles au scintillement.

A ce signal alternatif peuvent venir d’ajouter des perturbations de différents ordres :
– des variations brusques d’intensité générées par des machines (par exemple du soudage par résistance, des moteurs de réfrigérateurs, des fours électriques à arc, des appareils d’imagerie médicale, des moteurs à charge variable…) qui provoquent des pics de tension électrique
– l’apparition d’harmoniques (ordinateur, ballast, driver…), voir ci-dessous
– diverses perturbations comme par exemple les courants porteurs en ligne (CPL).

Les harmoniques
Les harmoniques en électricité sont des courbes sinusoïdales de plus grandes fréquences que la sinusoïde principale qui viennent se superposer à cette dernière.

Flicker harmoniques

Le signal du réseau est donc perturbé et cela peut engendrer des pertes par effets joules, des difficultés pour faire passer de l’information (voir les courants porteurs en ligne) et également favoriser la modulation temporelle en augmentant les fluctuations du signal d’entrée au luminaire.
Ces perturbations viennent d’appareils qui ont besoin de transformer le courant alternatif 50 Hz pour fonctionner, comme les ordinateurs, les télévisions, les ballasts ou les drivers LED. Dans le domaine industriel, des variateurs de vitesse ou des appareils de soudage peuvent également générer des harmoniques.
La génération d’harmoniques doit donc être contrôlée pour chaque appareil et cela est mesuré par le taux de distorsion harmonique (THD en anglais, Total Harmonic Distorsion), valeur d’ailleurs importante à vérifier pour mesurer la qualité des ballasts et des drivers LED. Un THD inférieur à 10% peut être considéré comme correct.

A l’intérieur du luminaire

Une fois passé le signal d’entrée, les luminaires ne sont pas égaux et n’ont pas tous la même sensibilité à la modulation temporelle : il convient donc d’examiner les différents types d’appareillage, de gradation et de sources pour voir précisément quels sont les risques et les possibilités d’améliorations en fonction des cas.

Pour démarrer

Le premier point important à vérifier en cas de scintillement d’une source est que les luminaires, les sources et les câbles sont bien fixés mécaniquement (et donc non sensibles aux vibrations par exemple).

Synthèse

Voici ci-dessous les différents éléments qui peuvent générer de la modulation temporelle.Flicker général

Les deux sujets concernant le luminaire sont traités ci-dessous : les alimentations dans un premier temps et les sources dans un second temps.

Les alimentations

Les appareillages (ballasts pour les tubes et lampes à décharge et drivers pour les LED) viennent se positionner entre le signal électrique du bâtiment et la source. Suivant leur mode de fonctionnement, ils peuvent :
– ne pas modifier ou répercuter les propriétés du signal d’entrée (sans appareillage ou ballast magnétique)
– transformer radicalement le signal d’entrée pour reconstituer un signal qui limite la modulation temporelle (ballast électronique gradable ou non gradable, driver LED non gradable et gradable de type modulation d’amplitude analogique)
– transformer radicalement le signal d’entrée pour reconstituer un signal qui a des effets néfastes sur la modulation temporelle car générant de nouvelles fluctuations (gradation par découpage de phase et PWM).

L’incidence des alimentations sur la modulation temporelle ne peut être traitée qu’en association avec les sources qui peuvent également par leurs fonctionnements limiter ou favoriser la modulation temporelle, voir les chapitres ci-dessous.

Neutres pour la modulation temporelle

Les sources de type incandescent et halogène fonctionnent sur un courant de type 230 V 50 Hz et n’ont donc pas besoin d’appareillage : le courant qui arrive à ces lampes est donc bien évidemment le courant du réseau et la source sera directement influençable par les fluctuations du signal du bâtiment.

Flicker sans alimentation

Les ballasts magnétiques n’ont pas d’effet non plus sur les modulations du signal car par définition les inductances (ou bobines) ne modifient que l’amplitude du courant mais pas sa fréquence : les fluctuations du courant du réseau sont donc directement répercutées aux tubes et lampes à décharge dans le cas d’un ballast magnétique (voir ci-dessous, cela n’est pas le cas d’un ballast électronique).

Flicker ballast magnétique

Gradation par découpage de phase

La vieille technique de gradation par découpage de phase pour les ballasts magnétiques n’est pas abordée ici mais elle favorise également la modulation temporelle.

Limitant la modulation temporelle

Les ballasts électroniques gradables et non gradables ne se limitent pas à modifier le signal d’entrée : ils le transforment radicalement pour le reconstituer. Du coup, les perturbations en entrée sont supprimées et comme le signal de sortie est à très haute fréquence (de 20 000 à 60 000 Hz), ce nouveau signal n’a pas d’impact sur le papillotement (et n’a pas non plus d’autres effets néfastes de type visibles, sanitaires ou biologiques).

Flicker ballast électronique

Les ballasts électroniques gradables

Pour grader un tube ou une lampe à décharge, un ballast électronique gradable délivre un courant avec une fréquence encore plus importante que le ballast électronique non gradable, ce qui n’a donc pas d’effet visibles, sanitaires ou biologiques et qui explique pourquoi les ballasts électroniques gradables sont traités dans ce chapitre avec les ballasts électroniques non gradables.

Les drivers LED non gradables et gradables de type modulation d’amplitude analogique sont des boitiers électroniques qui transforment également radicalement le signal d’entrée pour le reconstituer. Par contre, à la différence des ballasts électroniques, le courant de sortie est continu, c’est à dire en théorie sans aucune fluctuation, ce qui implique une grande sensibilité puisque tout impureté peut être transmise à la LED.

Mais la pratique est différente puisque suivant la qualité du driver, des traces du courant d’entrée peuvent apparaitre sur le signal de sortie, ce courant parasite est appelé ripple current en anglais, qu’il est possible de traduire par courant ondulé résiduel.

Flicker driver

Une alimentation LED de qualité pourra donc limiter la modulation temporelle et donc le papillotement, ce qui ne sera pas le cas d’une alimentation de moins bonne qualité.

Importance de la qualité d’un driver

Une alimentation LED de bonne qualité aura un taux limité de courant résiduel pour des fréquences inférieures à 120 Hz (voir les fiches techniques des produits), un taux inférieur à 5% pouvant être considéré comme un taux de ripple current correct.

Le document IEEE 1789-2015 (Recommended Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers) expose d’ailleurs les effets connus des papillotements et établit en fonction des fréquences des recommandations pour réaliser un driver de qualité, voir ci-dessous.

De nouvelles limites sont d’ailleurs à l’étude, que ce soit pour le papillotement (PstLM) ou l’effet stroboscopique (SVM).

IEEE 1789 2015

Favorisant la modulation temporelle

Enfin, certaines alimentations génèrent de nouvelles fluctuations sur le courant de sortie qui peuvent être à l’origine de modulations temporelles : il s’agit de deux dispositifs qui hachent le signal, les gradateurs de phase et les drivers gradable de type PWM.

La gradation par phase, très utilisée pour pouvoir diminuer ou augmenter le flux lumineux des lampes incandescentes et halogènes, a comme principe de hacher le signal d’entrée, ce qui par définition favorisera le papillotement. Cette technique a été également beaucoup utilisée pour grader les ballasts (avant la généralisation des ballasts électroniques gradables) mais n’est plus d’actualité de nos jours.

Flicker découpage de phase

Un autre type de gradation est par contre beaucoup plus d’actualité car très utilisé pour les LED : il s’agit de la gradation de type PWM ou modulation de largeur d’impulsion. Cette technique de gradation introduit des fluctuations qui sont notables pour les LED, voir l’illustration ci-dessous. Le phénomène peut apparaître notamment pour les luminaires pouvant varier du blanc chaud au blanc froid (tunable white).

Flicker PWM

Importance de la qualité d’un driver gradable

Afin de limiter la modulation temporelle, les fabricants d’alimentations LED 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 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% de gradation et le PWM pour une gradation inférieure à 30%.

Ci-dessous une photo prise avec un smartphone qui montrent bien le phénomène (en l’occurrence un luminaire gérant la variation du blanc chaud au blanc froid) :

Illustration flickering par Iphone

Synthèse

Effet sur la modulation temporelleType d’alimentationSources possiblesCommentaires
NeutreSansIncandescence et halogèneLe signal d’entrée n’est pas modifié
Ballast magnétiqueLampes et tubes à déchargeLe ballast magnétique reprend la fréquence du signal d’entrée dans son courant de sortie
LimitantBallast électronique non gradable
Ballast électronique gradable
Lampes et tubes à déchargeLe signal d’entrée est reconstitué en un signal à trop grande fréquence pour avoir un effet sur la modulation temporelle
Driver LED non gradable
Driver LED gradable avec modulation d’amplitude analogique
LEDLe signal d’entrée est reconstitué en un signal continu mais un driver de mauvaise qualité peut favoriser le papillotement si le courant résiduel alternatif (ripple current) est trop important.
FavorisantDriver LED gradable PWMLEDLe signal d’entrée est reconstitué en un signal continu mais haché qui peut donc générer une modulation temporelle
Gradateur par phaseIncandescence et halogèneLe signal d’entrée est haché, ce qui peut générer une modulation temporelle
Lampes et tubes à décharge (plus utilisé)Le signal d’entrée est reconstitué en un signal à très grande fréquence mais haché et peut donc générer une modulation temporelle

Les sources

De même que pour les alimentations, les sources n’ont pas la même sensibilité à la modulation temporelle, tout dépend de leur faculté à réagir rapidement aux fluctuations du courant d’entrée.

Limitant la modulation temporelle

Certaines sources d’éclairage artificiel ont une inertie qui leurs permettent d’atténuer voire de supprimer les effets des fluctuations du courant d’entrée : il s’agit des lampes de type incandescente et les lampes à décharge exceptée la fluorescence.

Le principe de fonctionnement des lampes incandescentes ou halogène est de chauffer un filament aux alentours de 3 000 °C dans un environnement protégé : l’inertie thermique de ce filament est trop importante pour être sensible aux fluctuations rapides du courant qui provoquent de la modulation temporelle donc même si le courant d’entrée fluctue, ce type de lampe sera peu sensible au scintillement.

Illustration

Pour se rendre compte de l’inertie thermique d’une lampe incandescente ou halogène, il suffit de regarder une lampe de ce type s’éteindre : l’extinction n’est pas immédiate (à comparer avec les LED par exemple) et suivant les lampes il est possible de voir le filament changer de couleur (donc de température car plus le filament refroidit plus il devient rouge) avant de s’éteindre.

La fluorescence a également une rémanence dans son fonctionnement due à la présence de poudres fluorescentes à l’intérieur de la source : en effet, les ondes générées par l’excitation du gaz sont situées dans l’ultraviolet et les poudres fluorescentes sont indispensables pour convertir ces ondes dans le visible. Ces poudres sont la clef en ce qui concerne la modulation de fréquence car elles ont une rémanence lumineuse qui permet au flux lumineux généré de ne pas suivre rapidement les fluctuations du courant d’entrée : ce type de lampe est donc peu sensible aux modulations temporelles, surtout avec un ballast électronique qui génère un signal d’entrée à très haute fréquence.

Favorisant la modulation temporelle

Deux sources sont particulièrement réactives au courant d’entrée et sont donc très sensibles à ses fluctuations : les LED et les lampes à décharges, autres que de type fluorescent (donc sodium et halogénures haute pression et sodium basse pression).

Ces deux types de sources ne permettent pas d’atténuer les modulations temporelles et il est donc nécessaire d’avoir un courant sans fluctuations dans la plage de fréquence sensible pour ne pas avoir d’effet de scintillement.

Synthèse

Effet sur la modulation temporelleType de sourceCommentaires
Limitant car inertie de la sourceIncandescence ou halogèneInertie thermique du filament
FluorescenceRémanence des poudres fluorescentes
Favorisant car source très réactive au courant d’entréeLED
Sodium et halogénures haute pression et sodium basse pression

Conclusion et synthèse

La modulation temporelle a beaucoup diminué depuis quelques dizaines d’années avec :
– la suppression de la gradation par phase pour les lampes à décharge
– l’apparition des ballasts électroniques gradable et non gradable.

Mais l’arrivée des LED, par sa grande réactivité et la nature continue du courant d’entrée a rendu cette problématique d’actualité. Seule une bonne maîtrise du signal électrique d’entrée de la LED peut du coup éviter la modulation temporelle (et sa principale conséquence le papillotement) et deux éléments essentiels sont à vérifier quant à la qualité du driver :
– le faible taux de courant alternatif résiduel (ripple current), de préférence inférieur à 5%
– l’absence de gradation de type PWM, au bénéfice de la gradation de type modulation d’amplitude analogique.

Driver flicker-free

Sont apparus sur le marché des drivers “flicker-free” qui laissent entendre que tout papillotement est supprimé : en réalité, il est techniquement impossible d’avoir un flicker à 0% et la promesse est uniquement de le réduire au maximum.

En tout état de cause, en cas de papillotement et suivant les cas, trois niveaux de vérifications peuvent être effectués :
– au niveau du réseau, qu’aucune perturbation n’est générée dans l’installation électrique du bâtiment (machines et appareils divers)
– que les luminaires, sources et câbles bien sont fixées mécaniquement (et donc non sensibles aux vibrations)
– analyser la situation suivant l’appareillage et la source et changer et vérifier le cas échéant les composants défaillants ou de mauvaise qualité.

Voici une synthèse des situations en fonction du type d’alimentation et du type de source :

Type d’alimentationSignal en sortie d’alimentation / entrée de sourceType de sourcePropriété de la sourceSensibilité et explications
SansIdem au signal éventuellement modifiéIncandescence ou halogèneInertie thermique du filamentL’inertie thermique du filament permet de supprimer les effets néfastes du signal 230 V 50 Hz et de ses éventuelles modifications.
SCINTILLEMENT QUASIMENT NUL
Gradation par découpage de phaseSignal 230 V 50 Hz (et ses éventuelles modifications) hachéLa gradation par découpage de phase favorise le papillotement mais l’inertie du filament vient limiter cet effet.
SCINTILLEMENT TRES FAIBLE
Ballast magnétiqueLe ballast magnétique ne modifie pas fondamentalement le signal d’entrée qui garde ses propriétés (alternatif 50 Hz + des éventuelles perturbations) et répercute les défautsFluorescenteRémanence des poudres fluorescentes qui permet aux sources fluorescentes de réagir lentement au signal d’entréeLa rémanence des poudres fluorescentes compense le mauvais signal d’entrée de la source.
SCINTILLEMENT QUASIMENT NUL
Sodium ou halogénureFaible inertie thermique du plasma ce qui conduit ces sources à réagir rapidement au signal d’entréeL’appareillage et la source sont défavorables ce qui rend cette association sensible.
SCINTILLEMENT POSSIBLEMENT IMPORTANT
Ballast électronique simple et gradableLe ballast électronique (gradable ou non) transforme radicalement le signal d’entrée pour créer un signal nouveau à très haute fréquence donc :
– annule les défauts du signal d’entrée
– par la très haute fréquence, ne génère pas de perturbations pour le papillotement
FluorescenteRémanence des poudres fluorescentes qui permet aux sources fluorescentes de réagir lentement au signal d’entréeLa rémanence des poudres fluorescentes associée au courant à très haute fréquence empêche tout papillotement.
SCINTILLEMENT NUL
Sodium ou halogénureFaible inertie thermique du plasma ce qui conduit ces sources à réagir rapidement au signal d’entréeLa très haute fréquence du courant d’alimentation des sources permet de faire disparaitre la sensibilité des lampes.
SCINTILLEMENT NUL
Driver non gradableLes drivers non gradable ou gradable de type analogique transforment radicalement le signal d’entrée pour créer un nouveau signal continu donc :
– annulent les défauts du signal d’entrée
– suivant la qualité du driver, le signal de sortie est plus ou moins “plat”, les perturbations générées dépendent du driver (voir courant résiduel alternatif)
 LEDLa LED réagit très rapidement au signal d’entrée, elle n’a pas d’inertieLe scintillement dépend uniquement de la qualité du driver et de son traitement du courant alternatif résiduel.
SCINTILLEMENT NUL POUR LES BONS DRIVERS
SCINTILLEMENT POSSIBLEMENT IMPORTANT POUR LES DRIVERS DE MAUVAISE QUALITÉ
Driver gradable analogique
Driver gradable par PWMLes drivers gradable de type PWM transforment radicalement le signal d’entrée pour créer un nouveau signal, “plat” et haché, donc :
– annulent les défauts du signal d’entrée
– suivant la qualité du driver, le signal de sortie est plus ou moins propre, les perturbations générées dépendent du driver (voir ripple current)
– la modulation d’impulsion génère des fluctuations régulières qui favorise le papillotement
Le signal d’entrée de la LED est haché et favorise le papillotement.
SCINTILLEMENT POSSIBLEMENT IMPORTANT surtout si viennent s’ajouter des courants alternatifs résiduels

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