Un rhéostat, résistance variable.
Si vous avez déjà eu une lampe torche avec une ampoule à filament (pas des LED) fonctionnant avec une ou des piles, vous savez que quand la lumière devient plus faible, c’est un signe que les piles sont presque vides. En effet, les piles alcalines ont une tension nominale de 1,5 V, mais au fur et à mesure qu’elles se vident, la tension baisse légèrement. Plus le temps passe, donc, plus l’intensité de la lumière émise par la lampe torche faiblit.

Bon, la lumière diminue quand on baisse la tension : logiquement, donc, on pourrait régler la lumière émise par notre torche en jouant sur la tension. Non ?
Avec une lampe à incandescence, oui : si on utilise un potentiomètre, qui est juste une résistance variable, on peut limiter la tension aux bornes de la lampe et donc la lumière qu’elle procure.

Maintenant, j’ai chez moi un variateur mural utilisé pour les lumières réglables. L’appareil fonctionne, y compris sur les lampes à incandescence. J’ai par exemple une vieille lampe à filament de carbone dont je règle la chaleur avec le variateur. Un jour, j’avais besoin d’une tension de 110 V. Je me disais d’utiliser le variateur, de le mettre à 50 % et le 220 V passait à 110 V.

Or, après une rapide mesure, je vois que le variateur affiche 230 V quoi qu’il arrive. J’ai beau le tourner : ce sont toujours 230 V qui s’affichent !
Pourtant, il fonctionne parfaitement : régler l’intensité de la lumière fonctionne bel et bien ! Alors comment ça marche ? Que se passe-t-il ?

Variateur ou potentiomètre ?

Un potentiomètre (ou rhéostat, pour les fortes puissances), c’est simplement une résistance réglable. Dans un circuit en série, une résistance permet de « capter » une partie de la tension, limitant ainsi la tension aux bornes du reste des composants et le courant du circuit tout entier. Si une lampe se trouve dans le circuit, sa lumière baisse.

Le problème, c’est que potentiomètre ou le rhéostat, en tant que résistances, dissipent toute l’énergie qu’ils consomment, sous la forme de chaleur. Premièrement, ça chauffe, mais en plus, le fait de diminuer l’intensité de la lumière ne se traduira pas par une baisse de la consommation électrique : une partie plus grande est simplement perdu dans la nature. Ce n’est pas très économique ni écologique.

De plus, le potentiomètre ne fonctionne pas avec les LED : ces lumières ont besoin d’une tension bien précise. Au-delà ils grillent, en dessous, ils ne s’allument pas du tout. Contrairement aux lampes à filament, leur intensité lumineuse n’est pas liée à la tension à ses bornes.

Mais là encore… mon variateur chez moi permet de faire fonctionner les LED réglables… Alors… magie ?
Non.

Une résistance variable ne suffit donc pas. Il a fallu inventer quelque chose d’autre : le gradateur. En réalité, le variateur est un abus de langage : le terme technique est gradateur.

Le gradateur, lui, n’est pas une résistance : il permet de limiter l’énergie électrique qui passe à travers sans pour autant consommer quoi que ce soit ni chauffer. Aussi, la tension à ses bornes est toujours celle de la source (230 V donc).
C’est donc parfait pour les LED ou les lampes fluocompactes.

Fonctionnement du gradateur

L’astuce du gradateur, c’est qu’il ne laisse passer qu’une partie de l’énergie sans jouer sur la tension ou l’intensité. L’intensité et la tension étant identiques, la puissance de sortie reste constante. Pour limiter l’énergie, il s’agit de jouer sur un autre paramètre : le temps.

Un peu comme si, au lieu de laisser couler un robinet en continu pour remplir une baignoire pendant 10 minutes, on utilise un gros seau d’eau chaque minute : la quantité d’eau est la même à la fin, mais c’est le débit qui varie : il est constant et faible avec le robinet, mais espacé et très fort avec les seaux.

L’idée du gradateur est similaire : on ne baisse pas la puissance (tension × intensité) on baisse simplement la durée d’exposition à cette puissance.

Le gradateur fonctionne comme un interrupteur très rapide : pour avoir une lumière 50 % plus faible, il va faire en sorte que le courant ne passe que 50 % du temps et le bloquer le reste du temps. Cet interrupteur s’active à chaque oscillation du courant, donc 50 fois par seconde.

Si l’on observe le signal électrique 230 V / 50 Hz, ça ressemble à quelque chose comme ça :

Graphs du rapport cyclique pour 100 %, 75 %, 50 % et 25 %
On voit que le gradateur ne fait que couper une portion du signal électrique, et donc de la transmission d’énergie. Le résultat est qu’une partie seulement de l’énergie est transmise. Le reste n’est simplement pas consommé.

De plus, on voit que là où le rapport est de 50 % et 75 %, la tension est toujours maximale. Au-dessus de 50 % et jusqu’à 100 %, il y a bien une variation de luminosité, mais la tension crête à crête est de 230 V dans tous les cas.
En dessous de 50 %, c’est une autre histoire, mais il y a une solution : les gradateurs les plus récents ne coupent pas les crêtes des sinusoïdes en deux, mais conservent justement les crêtes (voir plus bas). Du coup, les lumières à base de LED (qui a besoin de fortes tensions tout le temps), fonctionne avec un gradateur.

La luminosité, elle, est bien réduite : avec une fréquence de 50 Hz, les clignotements sont si rapides qu’ils sont invisibles : il apparaît juste moins de lumière, d’où une luminosité plus faible, visuellement.

Au passage, le pourcentage du signal transmis (le 25, 50, 75 %), se nomme le rapport cyclique. Il s’agit de la durée de fermeture du circuit sur la durée totale. Si le circuit est fermé (et donc le courant passe) 25 % du temps, alors le rapport cyclique est de 0,25.

Conclusion

Obtenir une lumière réglable semble quelque chose de trivial, et on peut penser qu’il suffit de balancer une tension ou une intensité plus faible dans la lampe, un peu comme un robinet dont on ouvre plus ou moins le vanne.

Si cette méthode fonctionnait avec les lampes à incandescence, elle ne fonctionne pas avec les LED ou les lampes à arc. Pour ces dernières, il a fallu trouver autre chose : une méthode qui maintienne une forte tension et une forte intensité, tout en réduisant l’énergie totale envoyée dans la lampe. La solution a été de jouer sur le dernier paramètre qui entre en jeu dans l’énergie de l’électricité : le temps.

Avec le gradateur, même si la lumière semble continue, la lampe est en réalité alimentée que durant une petite portion du temps. Ensuite, la persistance rétinienne due au clignotement très rapide fait le reste pour donner l’impression d’avoir réduit la luminosité.

L’ensemble est réalisé avec un circuit électrique bien précis, dont les plus courants sont à base de transistor bipolaire à grille isolée, qui permettent de ne laisser passer que les crêtes des sinusoïdes :

Graph du signal sinusoïdal où seules les crêtes sont passantes.
Ce circuit fonctionne à base de thyristors et d’autres composants électroniques un peu plus évolués que la simple résistance, toutes rendues possibles grâce aux semi-conducteurs.

Références

image d’en-tête de Frédéric Bisson

8 commentaires

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Tim wrote:

Salut,

Merci pour ton article ma foi fort intéressant (comme le reste de tes articles/blogs, je m'en lasse pas).

Je suis pas de nature à laisser des messages (d'ailleurs ne prend pas la peine de le publier) mais je voulais te remonter quelques erreurs qui se sont immiscés dans ton article.

C'est surtout le manque d'un mot dans la première phrase de ta conclusion qui m'a encouragé à te faire ce message :

"Obtenir une lumière réglable semble quelque chose de trivial".

Il y en aussi quelques erreurs mais au lieu de faire une liste à la Prévert et n'étant pas un "grammar nazi" loin de là. Le mérite en revient d'ailleurs à grammalecte que je te conseille si tu ne connaissais pas, c'est fort pratique pour vérifier et se corriger et pour couronner le tout c'est du libre (ce commentaire est d'ailleurs rédigé sous la supervision de celui-ci).

Bonne soirée et bonne continuation.

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Le Hollandais Volant wrote:

@Tim : Salut, c’est corrigé !

Je connais Grammalecte, et l’utilise. Malgré ça, je reformule très régulièrement mes articles (même après leur publications). Parfois je retire ou change des expressions, d’où les mots qui manque parfois. Et j’oublie encore parfois par lancer Grammalecte après l’écriture d’un article. Enfin, quand on écrit un long article, on a beau relire plusieurs fois, ça n’est pas efficace car on le connaît par cœur et on ne voit pas les erreurs…

Ça n’excuse pas les fautes, mais ça les explique. Il me reste à trouver un moyen de les déceler mieux que ça.

Je viens de repasser un coup de Grammalecte là, il a trouvé 4~5 erreurs.

Merci sinon :)

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gilles wrote:

Merci pour cet article, le rhéostat qui l'illustre est magnifique ;-)

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Pouf wrote:

Bonjour.

Merci pour l'article, très intéressant, comme d'habitude.

Par contre, je sais que c'est pas le sujet, mais tu pourrais m'éclairer (haha) sur le phénomène optique ? Je pige pas bien comment le fait de clignoter peut nous faire voir une intensité lumineuse plus faible alors que l'intensité du clignotement ne l'est pas (plus faible).

Je veux dire… Si je me prends un flash lumineux de X lumen, il me semble que je vois la même intensité lumineuse que si la lampe reste allumé, non ?

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Le Hollandais Volant wrote:

@gilles : Ouii, il manque juste le « Acme » dessus :D

@Pouf : Oui ! En fait le clignotement est très rapide (100 fois par seconde). Une lampe à filament aussi clignote aussi, à cause du signal alternatif 50 Hz du secteur.
Ça se voit bien avec une caméra rapide : https://www.youtube.com/watch?v=eUprJS9sXYU

Si ça se voit pas, c’est que la persistance rétinienne maintient la luminosité quelques instants : les flash sont espacés de 1/100e de seconde, mais le flash persiste sur la rétine environ 1/20e de seconde.

À 100 %, ça se passe environ comme ça :
https://couleur-science.eu/img/d9/075.png
– en bleu, la puissance lumineuse émise par la lampe (qui est maximale à chaque demi-période du signal 50 Hz)
– en rouge, l’intensité lumineuse sur la rétine : la courbe est haute et ne descend jamais à zéro car la lumière persiste dessus. La persistance rétinienne agit comme si elle diluait la lumière dans le temps.
– en rose (la ligne droite) c’est la moyenne de la courbe rouge. Elle est encore à 0,75 ici.

Quand on baisse le gradateur à environ 50 % de puissance, on a ceci :
https://couleur-science.eu/img/78/05.png
– en bleu, la puissance lumineuse émise par la lampe. Elle vaut zéro quand le gradateur coupe le courant, chaque fois qu’une crête est passée.
– en violet, la l’intensité lumineuse sur la rétine : la courbe est toujours sinusoïdale et ne descend toujours pas à zéro. En revanche, comme la lumière est totalement coupée entre les crêtes, la rétine reçoit moins de lumière entre les crêtes.
– en orange, la moyenne : on voit que cette moyenne est plus basse que sur l’autre image : elle est à 0,50 environ.

Les chiffres sont données grossièrement et le graphique assez rapide, mais l’idée est là : c’est comme si, quand la lumière est — au total — allumée une plus petite partie du temps, alors la lumière totale reçue sur la rétine est moins grande.

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Pouf wrote:

Très bien, merci.

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Marc wrote:

Bonsoir,
Merci pour cet article. Ayant eu quelques notions d'électronique dans ma jeunesse, je me souviens du fait que les composants électroniques étaient sensibles à leur mode de fonctionnement.
Je comprends que le choix du mode de fonctionnement en arrêt marche soit un pis-aller. Cependant cela ne risque t'il pas de réduire drastiquement la durée de vie des composants.

Exemple, je travail avec des NAS pour lequels je désactive systématiquement la mise en Veille des disques car les arrêt marche répétitifs sont néfastes a la bonne santé de ceux-ci. Mais l'exemple est cependant peut être mal choisit.

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Le Hollandais Volant wrote:

@Marc : ça dépend du composant. J'imagine qu'un simple transistor ou une led sont faits pour pouvoir s'allumer /s'éteindre souvent.

Un disque dur rotatif, pas contre, ne l'est pas. Un moteur a toujours une vitesse de rotation à laquelle il est le plus efficace et s'use le moins (moins de vibrations).

L'usure mécanique est plus important que l'usure électronique.

Si ton nas est peu sollicité, il se mettra en veille souvent et c'est pas bon. Par contre, si tu ne l'utilise pas du tout la nuit, il peut être utile de le mettre en veille la nuit seulement.


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