CARACTERISATION DE L'EXPOSITION AUX
CHAMPS ELECTROMAGNETIQUES EMIS PAR LES
LAMPES LED CONCUES DANS LE CADRE DU
PROJET PACTE-LED

Alain Monard, Christophe Martinsons

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Alain Monard, Christophe Martinsons. CARACTERISATION DE L'EXPOSITION AUX CHAMPS ELECTROMAGNETIQUES EMIS PAR LES LAMPES LED CONCUES DANS LE CADRE DU PROJET PACTE-LED. Rapport Technique CSTB n°RAPF 26036652, CSTB - Centre scientifique et technique du bâtiment, France. 2012. hal-04748273

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# OFFRE N° 26036652
## PROJET PACTE-LED 3
## CARACTERISATION DE L'EXPOSITION AUX CHAMPS ELECTROMAGNETIQUES EMIS PAR LES LAMPES PACTE-LED

### Rapport Final

Alain Monard, Expert en Électromagnétisme Appliqué, Floralis
Christophe Martinsons, chef de Pôle Éclairage Électricité Électromagnétisme, CSTB

### Demandeurs de l'étude

Bruno Lafitte
Service Bâtiment
ADEME Sophia Antipolis
500, route des Lucioles
06560 VALBONNE
Bruno.lafitte@ademe.fr

Grégory Duchesne, Ingelux
Espace Carco
1, rue Francis Carco
69120 Vaulx-en-Velin
Tél + 33 4 37 45 29 29
Fax + 33 4 37 45 29 30
duchene.ingelux@espace-carco.com

N/Réf. DAE/2012-062 AM/CM

<table><thead><tr><td>Auteur(s)</td><td>Approbation</td><td>Vérificatrice</td></tr></thead><tbody><tr><td>Alain MONARD<br/>Floralis</td><td>Christophe MARTINSONS<br/>CSTB</td><td>Cathy MANDON<br/>CSTB</td></tr></tbody></table>

Toute reproduction partielle susceptible de dénaturer le contenu du présent document, qu'il s'agisse d'une omission, d'une modification ou d'une adaptation engagée la responsabilité du client vis-à-vis du CSTB ainsi que des tiers concernés.
# PROJET PACTE-LED 3
CARACTERISATION DE L'EXPOSITION AUX
CHAMPS ELECTROMAGNETIQUES EMIS PAR
LES LAMPES PACTE-LED

## Rapport Final

### Demandeurs de l'étude

Bruno Lafitte
Service Bâtiment
ADEME Sophia Antipolis
500, route des Lucioles
06560 VALBONNE
Bruno.lafitte@ademe.fr

Grégory Duchesne, Ingelux
Espace Carco
1, rue Francis Carco
69120 Vaulx-en-Velin
Tél + 33 4 37 45 29 29
Fax + 33 4 37 45 29 30
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ÉTABLISSEMENT DE GRENOBLE | 24 RUE JOSEPH FOURIER | 38400 SAINT-MARTIN D'HÈRES
TÉL. (33) 04 76 76 25 25 | FAX. (33) 04 76 44 20 46 | SIRET 775 688 229 000 50 | www.cstb.fr

SIÈGE SOCIAL > 84 AVENUE JEAN JAURÈS | CHAMPS-SUR-MARNE | 77447 MARNE-LA-VALLÉE CEDEX 2

ÉTABLISSEMENT PUBLIC À CARACTÈRE INDUSTRIEL ET COMMERCIAL | RCS MEAUX 775 688 229 | TVA FR 70 775 688 229

MARNE-LA-VALLÉE | PARIS | GRENOBLE | NANTES | SOPHIA-ANTIPOLIS
# SOMMAIRE

1 - INTRODUCTION.................................................................................. 4

2 - CONTEXTE ......................................................................................... 5

2.1 - DISPOSITIFS SOUS TESTS .................................................................... 5

2.2 - CONDITIONS D'ESSAIS .................................................................... 5

2.3 - TEXTES DE REFERENCE .................................................................... 6

3 - DISPOSITIF DE MESURAGES ................................................................. 7

3.1 - ANALYSE SPECTRALE........................................................................ 7

3.2 - ÉTALONNAGE EN CHAMP PROCHE.................................................... 9

3.3 - POSITIONNEMENT SONDE - LAMPE.................................................. 10

3.4 - CONFINEMENT .................................................................................. 11

4 - ESSAIS PRELIMINAIRES.................................................................... 12

4.1 - TENDANCE DES DIAGRAMMES DES CHAMPS.................................... 12

4.2 - BRUITS DES MESURES RENDUES PAR LA SONDE NARDA .................... 12

4.3 - MESURES EXTRAITES, COMPTE-TENU DU BRUIT.................................. 13

5 - PROCEDURE D'ESSAIS........................................................................ 14

5.1 - STABILISATION THERMIQUE ............................................................ 14

5.2 - RECHERCHE DE LA DIRECTION DE CHAMP ELECTRIQUE MAXIMUM.................... 14

5.3 - SPECTRES LARGE BANDE .................................................................... 14

6 - ESTIMATION DES INCERTITUDES DE MESURES.................................. 15

7 - RESULTATS EXPERIMENTAUX.................................................................. 16

7.1 - LAMPE H12 .................................................................................... 16

7.2 - LAMPE L37.................................................................................... 17

7.3 - LAMPE M59.................................................................................... 17

7.4 - LAMPE 36 .................................................................................... 18

8 - CONCLUSION....................................................................................... 18
# 1 - INTRODUCTION

Dans le cadre du projet ADEME " PACTE-LED 3 ", le CSTB, en association avec FLORALIS, filiale de valorisation de l'Université Joseph Fourier de Grenoble, a mené une campagne de mesures sur l'exposition humaine aux champs électromagnétiques émis par des prototypes de lampes à diodes électroluminescentes basse tension, développées par PHILIPS et par le CEA.

Cette campagne a été terminée le 10 février 2012, avec les moyens de mesurages mis en commun par le CSTB, l'Université Joseph Fourier et FLORALIS dans le cadre de leur plate-forme commune PHELINE dédiée à l'environnement électromagnétique.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1.1.1 : Chambre anéchoïde de la plate-forme PHELINE</figcaption></figure>

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 1.1.2 : Chambres réverbérantes couplées de la plate-forme PHELINE</figcaption></figure>
# 2 - CONTEXTE

## 2.1 - Dispositifs sous tests

Les lampes prototype testées sont caractérisées par :

* technologie : diodes électroluminescentes (DEL) ;

* tension nominale : 12 V ;

* format : MR 16 / culot GU 5,3 mm

* puissance nominale : de 4 W à 7 W ;

Ces lampes sont référencées :

* H12 (Philips) ;

* L37 (Philips) ;

* M59 (Philips) ;

* 36 (CEA) ;

Une lampe à incandescence est utilisée comme élément de comparaison :

* Référence : Casto MR16C ;

* Tension nominale : 12 V ;

* puissance nominale : 25 W ;

L'alimentation des lampes est assurée par un transformateur classique EREA type E 12 SC 50 SAS, d'une puissance nominale de 50 W.

Ce mode d'alimentation est le seul utilisé : les tentatives d'alimentation des quatre prototypes par le convertisseur statique utilisés lors de la précédente campagne de mesurages sur lampes à DEL (EAGLCRISE modell EET150LT) n'allument aucune des lampes.

## 2.2 - Conditions d'essais

Les mesurages sont réalisés conformément au protocole de mesurages de l'AFSSET (Rapport AFSSET Saisine n°0497) précédemment élaboré pour les lampes fluo-compactes.

La procédure suivie est décrite au § 5 - .
## 2.3 - Textes de référence

* Norme NF EN 50392 – mai 2004 – Norme de base pour démontrer la conformité des appareils électriques et électroniques, aux restrictions de base pour l'exposition du corps humain aux champs électromagnétiques (0 Hz – 300 GHz)

* Rapport AFSSET Saisine n°0497 – Analyse des champs électromagnétiques associés aux lampes fluorescentes compactes : Protocole de mesure de l'exposition humaine aux champs électromagnétiques émis par des lampes fluorescentes compactes – février 2009

* ICNIRP Guidelines – Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields - 1998 Health Physics Society

* Recommandation du conseil du 12 juillet 1999 relative à la limitation de l'exposition du public aux champs électromagnétiques (de O Hz à 300 GHz) – 1999/519/CE

* Décret n°2002-775 du 3 mai 2002 pris en application du 12° de l'article L 32 du code des postes et télécommunications et relatif aux valeurs limites d'exposition du public aux champs électromagnétiques émis par les équipements utilisés dans les réseaux de télécommunications ou par les installations radioélectriques mai 2002
# 3 - DISPOSITIF DE MESURAGES

## 3.1 - Analyse spectrale

Les relevés des spectres des champs, électrique et magnétique, sont réalisés avec une
sonde Narda EHP-200 :

* fabricant : Narda ;

* type : EHP200 ;

* n° de série : 020WJ80512 ;

* date de vérification : 08/07/10.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 3.1.1 : Sonde Narda</figcaption></figure>

Les caractéristiques principales, telles qu'annoncées par le fabricant, sont :

* bande de fréquence : de 9 kHz à 30 MHz

* dynamique de champ électrique : de 0,02 V·m⁻¹ à 1000 V·m⁻¹

* dynamique de champ magnétique : de 0,6 mA·m⁻¹ à 300 A m⁻¹

Pour chaque champ, cette sonde indique les mesures des projections sur trois axes orthogonaux ainsi que la norme du vecteur.

Cette sonde est utilisée avec sa résolution la plus fine. Dans ce cas les données du
constructeur de la sonde sont :

* largeur de bande d'analyse à mi-puissance : 1 kHz

* pas d'échantillonnage : 250 Hz

Les mesurages sont effectués en mode normalisé : valeur efficace moyenne sur six
minutes.
Les mesures rendues par la sonde, pour le champ électrique comme pour le champ magnétique, sont :

* valeur efficace totale sur toute la bande de fréquence analysée ;

* valeurs efficaces, en chaque point de fréquence, constituant un spectre.

La valeur efficace totale peut être retrouvée à partir de la somme quadratique des mesures ponctuelles par :

$$V_{\text{efftot}} = k_{\text{ratio}} \sqrt{\sum_{n=0}^{N-1} V_{\text{effn}}^2} \quad \begin{array}{ll} k_{\text{ratio}} = 0,495 & \text{facteur de rationalisation} \\ V_{\text{effn}} & \text{mesure d'indice n, sur un total de N mesures} \\ V_{\text{efftot}} & \text{valeur efficace totale} \end{array} \quad (1)$$

La fonction de transfert du filtre d'analyse est quasi-gaussienne.

Une analyse en champ mono-fréquence permet d'établir cette fonction de transfert :

$$F(\delta v) = 2^{-\frac{1}{2} \left(\frac{\delta v}{v_{C1}}\right)^2} \left[ 1 + \left(\frac{\delta v}{v_{C2}}\right)^2 \right] \quad \begin{array}{ll} \delta v & \text{écart de fréquence vs. la fréquence centrale} \\ 2v_{C1} = 1,008\,\text{kHz} & \text{bande passante à mi-puissance} \\ v_{C2} = 2,121\,\text{kHz} & \text{fréquence de coupure de l'approximation gaussienne} \end{array} \quad (2)$$

Le facteur de rationalisation calculé à partir de cette fonction de transfert est de 0,494.

La bande équivalente de bruit blanc est donnée par :

$$\Delta v_{BB} = \left| \int_{-\infty}^{\infty} (F(\delta v))^2 d\delta v \right| = 1,023\,\text{kHz} \quad (3)$$
## 3.2 - Étalonnage en champ proche

Les mesures rendues par la sonde et retenues pour exploitation sont celles des moyennes quadratiques des modules des champs dans la gamme de fréquence analysée.

Cette sonde est étalonnée, par son fabricant, en champs électrique et magnétique uniformes.

En vue de son utilisation pour l'analyse des champs produits par les lampes, à proximité de celle-ci, la sonde est étalonnée en champ à géométrie quasi-sphérique, à l'aide d'un étalon de champ électrique de dimensions similaires à celles des lampes à tester.

Cet étalon est représenté en Figure 3.2.1 : le diamètre de la sphère est de 50 mm.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 3.2.1 : Étalon de champ quasi-sphérique</figcaption></figure>

Les mesurages étant restreints à une distance unique de 30 cm, une procédure allégée est adoptée : la position de la sonde est recherchée, par approximations successives, jusqu'à l'obtention de mesures égales, aux fluctuations près, aux valeurs efficaces des trois composantes du champ électrique produit par l'étalon, à la distance de 30 cm.

De premiers essais qualitatifs, sur les quatre prototypes, donnant des mesures de champ magnétique noyées dans le bruit de la sonde, aucun étalonnage de la sonde en champ magnétique proche n'est utile.
## 3.3 - Positionnement sonde - lampe

Par convention, le foyer de la lampe est situé dans son axe approximatif de révolution, à la base du réflecteur, tel que schématisé en Figure 3.3.1 : . Cette convention est inspirée de celle qui a été établie dans le cas des lampes fluorescentes compactes : situer le foyer de la lampe dans le plan séparateur entre tubes et ballast.

Cette même Figure 3.3.1 : illustre la convention de définition des coordonnées sphériques du point d'observation M :

* $r$ : distance du point M au centre O de la lampe ;

* $\theta$ : colatitude du point M ;

* $\phi$ : azimut du point M ;

* $Oz$ : axe pris comme la normale au plan de la vitre circulaire de la lampe, passant par le centre de cette vitre

Dans le cas où une dépendance en azimut est mesurable, une marque est apposée sur la lampe comme référence angulaire.

Le dispositif pratique est un goniomètre, réalisé en bois de pin, supportant la lampe sous test, lui conférant les angles de rotation $\theta$ et $\phi$, autour de son foyer O (cf. Figure 3.3.2 : ).

Ce goniomètre est mis à profit pour la recherche de la direction $(\theta, \phi)$, à $r = 30$ cm constant, dans laquelle les mesures des modules des champs électrique et magnétique sont maximales.

**Nota** : contrairement à la convention habituelle, comme le montre la Figure 3.3.2 : , l'axe $Oz$ est horizontal.

La sonde est immobile, installée sur le trépied en bois fourni par son fabricant. Son axe repéré « X » sur son boîtier est dirigé vers le foyer de la lampe, l'axe Y de la sonde est dans le plan de rotation colatitudinal.

Avec cette disposition les composantes mesurées par la sonde, selon son axe X (resp. Y, Z), sont les composantes radiales $E_r$ et $H_r$ (resp. colatitudinales $E_{\theta}$ et $H_{\theta}$, azimutales $E_{\phi}$ et $H_{\phi}$) des champs électrique et magnétique.
<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 3.3.1 : convention d'orientation</figcaption></figure>

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 3.3.2 : goniomètre</figcaption></figure>

## 3.4 - Confinement

L'ensemble sonde + lampe + goniomètre est placé dans une cage de Faraday de dimensions :

* Hauteur : 3 m

* Largeur : 3,6 m

* Longueur : 5,4 m

Le milieu du segment OM (sonde - lampe) est placé au centre de la cage, ce segment est aligné dans la longueur de la cage.

Les précédents essais de validation de la procédure ont montré que la proximité des parois de la cage avec la lampe et la sonde a une influence négligeable.
# 4 - ESSAIS PRELIMINAIRES

## 4.1 - Tendance des diagrammes des champs

Des essais qualitatifs sur les quatre lampes testées montrent que :

* aucune contribution significative du champ électrique n'est mesurable au-delà de 1MHz ;

* aucune contribution significative du champ magnétique n'est mesurable dans toute la gamme de fréquence de la sonde (9 kHz - 30 MHz) ;

* l'angle de colatitude pour lequel le module du champ électrique présente un maximum est 0 ;

* à la distance d'observation (30 cm), l'évolution du champ électrique est de type polaire (en $1/r^2$)

Par la suite, seuls les mesurages de champ électrique sont effectués, dans la gamme de fréquence : 10 kHz - 1 MHz.

## 4.2 - Bruits des mesures rendues par la sonde Narda

En l'absence de lampe allumée ou en présence de la lampe halogène témoin allumée, la mesure rendue par la sonde de la valeur efficace totale du champ électrique dans l'intervalle de fréquence [10 kHz , 1 MHz], est :

$$E_{\text{bruittot}} = (1,82 \pm 0,06)\,\text{V} \cdot \text{m}^{-1} \qquad (4)$$

En supposant la densité spectrale de bruit constante dans la bande de fréquence analysée, celle-ci est :

$$\tilde{E}_{\text{bruit}} = \frac{E_{\text{bruittot}}}{\sqrt{\Delta v}} \qquad \begin{array}{l} \Delta v = 1\,\text{MHz} - 10\,\text{kHz} \quad \text{intervalle de fréquence} \\ \tilde{E}_{\text{bruit}} = 1,83\,\text{mV} \cdot \text{m}^{-1} \cdot \text{Hz}^{-\frac{1}{2}} \end{array} \qquad (5)$$

Compte-tenu de la bande équivalente de bruit blanc (cf. (3)), le bruit entachant chaque mesure ponctuelle du spectre est :

$$E_{\text{bruit}} = \tilde{E}_{\text{bruit}} \cdot \sqrt{\Delta v_{\text{BB}}} \qquad (6)$$
## 4.3 - Mesures extraites, compte-tenu du bruit

La mesure extraite (retenue), pour la valeur efficace totale du champ électrique dans la gamme de fréquence considérée, est la différence quadratique entre la mesure rendue et la valeur efficace du bruit sur celle-ci :

$$E_{\text{extraitetot}} = \sqrt{E_{\text{renduetot}}^2 - E_{\text{bruittot}}^2} \quad \left| \begin{array}{ll} E_{\text{renduetot}} & \text{mesure rendue de la valeur efficace totale sur la bande de fréquence analysée} \\ E_{\text{bruittot}} & \text{valeur efficace totale du bruit sur cette même bande, telle que définie en (4)} \end{array} \right. \quad (7)$$

Procéder de la même façon, pour les mesures ponctuelles, ne serait pas significatif : le terme sous le radical pouvant être négatif.

Une méthode empirique est alors adoptée : rechercher une valeur de bruit $E_{\text{bruitponc}}$ telle que :

$$k_{\text{ratio}} = \sqrt{\sum_{n=0}^{N-1} \max(E_n^2 - E_{\text{bruitponc}}^2, 0)} = E_{\text{bruittot}} \quad (8)$$

Pour les quatre lampes testées, cette valeur ponctuelle de bruit est très peu différente de la valeur théorique calculée en (6).

Les graphes des spectres présentés par la suite tiennent compte de cette correction.
# 5 - PROCEDURE D'ESSAIS

## 5.1 - Stabilisation thermique

Avant de procéder aux enregistrements des mesures, la lampe à tester est alimentée sous sa tension nominale jusqu'à stabilisation du spectre dans ses marges d'incertitude, soit entre 2 et 5 minutes selon la lampe.

## 5.2 - Recherche de la direction de champ électrique maximum

Le présent essai et le suivant (cf. § 5.3 - ) sont pratiqués avec la lampe installée sur son support tel que décrit au § 3.3 - .

Le positionnement de la lampe est ajusté tel que l'axe de rotation du plateau tournant imposant l'angle de colatitude θ, passe par le foyer de la lampe (cf. Figure 3.3.1 : ). Le positionnement final de ce foyer est laissé à l'appréciation de l'intervenant, en fonction de la géométrie de la lampe.

Le balayage fréquentiel de la sonde est ciblé sur le groupe de raies spectrales le plus important, avec rafraîchissement de l'affichage à chaque balayage.

La colatitude est imposée à π/2. L'azimut donnant la valeur maximale de la somme quadratique des mesures est recherché, puis fixé.

La colatitude donnant la valeur maximale de la somme quadratique des mesures est alors recherchée puis fixée.

Si la colatitude ainsi obtenue est différente de 0, un trait de couleur verte est tracé sur le corps du ballast pour matérialiser l'azimut de la direction de plus fort champ électrique.

## 5.3 - Spectres large bande

La colatitude et l'azimut sont maintenus tels que déterminés lors de l'essai précédent (cf. § 5.2 - ).

La sonde est impérativement configurée comme suit :

* type de balayage : moyenne quadratique sur 6 mn

* intervalle de fréquence : de 10 kHz à 1 MHz

* largeur de bande d'analyse : 1 kHz

* visualisation des champs : électrique et magnétique (normes des vecteurs)

* arrêt du balayage : lorsque la sonde a terminé les moyennes quadratiques telles que spécifiées
# 6 - ESTIMATION DES INCERTITUDES DE MESURES

Les contributions à l'incertitude sur les mesures de valeur efficace du champ électrique dans la bande de fréquence analysée sont :

* sur le champ, lors de l'étalonnage : 3,4 % ;

* sur l'entre-axe sonde-étalon, lors de l'étalonnage : 2,9 % ;

* sur le champ, en mesurage sur lampe : 20 mV·m⁻¹ ;

* sur l'entre-axe sonde-lampe, en mesurage sur lampe : 1,2 % .

L'incertitude globale, en fonction de la valeur mesurée, est représentée par le graphe en

<figure><img src="image_8.png" /></figure>
# 7 - RESULTATS EXPERIMENTAUX

Les mesures de champ électrique, à 30 cm des lampes testées, sont présentées ci-dessous.

Aucune des lampes ne produit de champ magnétique mesurable : toutes les mesures sont inférieures à 1mA·m⁻¹.

Pour les quatre lampes, la direction de champ maximum est axiale : colatitude = 0°.

Dans la bande de fréquence considérée [10 kHz, 1 MHz], le niveau de référence du Décret n°2002-775) est de 87 V·m⁻¹.

## 7.1 - Lampe H12

<figure><img src="image_9.png" /></figure>

* valeur efficace totale : 0,94 V·m⁻¹ ;

* incertitude : 13%
## 7.2 - Lampe L37

<figure><img src="image_10.png" /></figure>

* valeur efficace totale : 0,42 V·m⁻¹ ;

* incertitude : 20%

## 7.3 - Lampe M59

<figure><img src="image_11.png" /></figure>

* valeur efficace totale : 1,33 V·m⁻¹ ;

* incertitude : 11%
## 7.4 - Lampe 36

<figure><img src="image_12.png" /></figure>

* valeur efficace totale : 2,44 V·m⁻¹ ;

* incertitude : 10%

## 8 - CONCLUSION

Dans la bande de fréquence [10 kHz, 1 MHz], où des niveaux significatifs sont constatés, les champs produits à 30 cm par les lampes testés (E₃₀cm) sont très inférieurs au niveau de référence normatif (E_réf = 87 V·m⁻¹) :

* lampe H12 : E₃₀cm = 1,1 % E_réf ;

* lampe L37 : E₃₀cm = 0,5 % E_réf ;

* lampe M59 : E₃₀cm = 1,5 % E_réf ;

* lampe 36 : E₃₀cm = 2,8 % E_réf ;