L’année dernière, nous vous avons expliqué comment fonctionnent les guirlandes lumineuses incandescentes pour les fêtes, mais nous avons omis un sujet important : les guirlandes lumineuses à LED. Étant donné que de plus en plus de consommateurs passent des ampoules à incandescence traditionnelles aux ampoules LED économes en énergie — en particulier à l’approche des fêtes — nous avons mis à jour notre populaire explicatif sur les lumières de vacances avec une section pour vous aider à comprendre les guirlandes lumineuses de vacances LED (et comment les réparer). Nous vous recommandons de lire l’intégralité du post, car les LED et les lampes à incandescence ont beaucoup en commun.
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Comment fonctionnent les lumières de vacances ?
Nous nous mettons dans l’esprit des vacances ici au département de l’énergie. Nos bas sont accrochés par la cheminée avec soin et nous avons des guirlandes lumineuses qui décorent nos cubicules. En enfilant les lumières, j’ai voulu apprendre comment fonctionnent exactement les lumières de vacances. Voici ce que j’ai découvert.
Les lumières de vacances sont un excellent moyen d’apprendre la circulation du courant électrique. Dans un circuit simple, y compris celui d’une ampoule à incandescence, l’électricité circule dans un circuit fermé, passant sur un filament, ce qui le fait briller. Plus le courant passe sur un filament, plus il devient chaud, plus il brille et plus il s’éteint rapidement. Si le circuit est interrompu ou ouvert, aucune électricité ne passera sur le filament et il ne s’allumera pas. Si le courant est trop important, le filament fondra, ou éclatera, provoquant l’ouverture du circuit.
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Mais nous voulons que plus d’une lumière brille sur notre arbre de Noël ou le long des toits de nos maisons. Si vous voulez connecter plusieurs ampoules à la même source d’alimentation, il y a deux façons de le faire : soit attacher les lumières en série, soit en parallèle.
Lumières en parallèle vs. en série
Lorsque les lumières sont attachées en série, l’électricité passe de la source d’alimentation à la première lumière, puis de lumière en lumière jusqu’à ce qu’elle retourne à la source d’alimentation. Dans cette configuration, lorsqu’un filament de l’une des ampoules saute, cela crée un circuit ouvert dans le câblage. Comme nous l’avons mentionné précédemment, lorsqu’un circuit est incomplet, ou ouvert, l’électricité ne parvient pas à passer dans l’un des fils, ce qui entraîne l’extinction de toutes les lumières.
Lorsque les lumières sont attachées en parallèle, chaque lumière est sur son propre circuit vers la source d’alimentation. Si un filament brûle, cela n’a aucun effet sur les autres lumières, car elles continuent chacune à être en circuit fermé avec la source d’alimentation. Vérifiez la différence.
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Avec les guirlandes de lumières de vacances, les ingénieurs ont décidé que la meilleure option était de connecter plusieurs séries de lumières ensemble en parallèle. En d’autres termes, les lumières de vacances sont à la fois en série et en parallèle. Voyons à quoi cela ressemble :
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De cette façon, lorsqu’une série d’ampoules devient défectueuse — par exemple, à cause d’une ampoule desserrée — cela ne devrait avoir aucun effet sur les autres séries d’ampoules, puisqu’elles sont en parallèle avec la série défectueuse. C’est pourquoi il arrive qu’une seule partie de vos lampes devienne défectueuse, tandis que les autres restent fonctionnelles. Lorsque des guirlandes supplémentaires sont attachées à l’extrémité d’une guirlande, ces lumières sont ajoutées en parallèle à la guirlande originale.
Mais qu’en est-il lorsqu’une ampoule s’éteint dans une série ? Autrefois, lorsqu’une ampoule s’éteignait, c’était toute la série qui s’éteignait. Si c’était le cas, vous deviez vérifier chaque ampoule individuellement pour voir laquelle était grillée. Si plusieurs ampoules étaient grillées, cela devenait excessivement difficile.
Entrez dans le « shunt ». Qu’est-ce qu’un shunt, vous demandez-vous ? Je vais vous le dire !
Les shunts et les fusibles sauvent la mise
Un shunt est tout dispositif qui permet au courant de continuer à circuler dans un circuit en créant un chemin de moindre résistance que le chemin d’origine. Dans les lampes de vacances à incandescence, les shunts sont de petits fils enroulés sous le filament. Au départ, ils sont recouverts d’une substance qui en fait un isolant. En d’autres termes, l’électricité ne peut pas passer à travers le shunt tant que le filament existe, car le revêtement donne au shunt une résistance initiale plus élevée que celle du filament, et le courant électrique évite le shunt afin de trouver le chemin de moindre résistance à travers le filament.
Si le filament brûle, cependant, la température élevée de la combustion fera fondre la substance qui recouvre le shunt, révélant le fil de moindre résistance en dessous. Maintenant, le shunt est passé d’un isolant à un conducteur, et le courant passe le long du shunt, gardant le circuit fermé, et les lumières restantes allumées. Regardez-le ci-dessous.
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Récemment, alors que je mettais des lumières, j’ai trébuché sur un fil et les lumières se sont éteintes. La chaîne de lumières est restée branchée, donc j’étais perplexe quant à ce qui s’est passé. J’ai débranché, rebranché… débranché, rebranché la guirlande. Rien. C’est alors que j’ai compris. « Le fusible ! » J’ai dit dans mon souffle. J’avais dû provoquer une sorte de court-circuit en secouant le fil.
Alors que les shunts servent à remédier à un circuit ouvert, les fusibles fonctionnent pour prévenir les dommages dus à un court-circuit ou à toute autre augmentation spectaculaire du courant. Un court-circuit est l’opposé d’un courant ouvert. En d’autres termes, un court-circuit est provoqué lorsque le courant électrique trouve un chemin involontaire de moindre résistance. À une tension constante, cela provoque un pic de courant, qui peut causer divers problèmes — certains légers (augmentation du taux de combustion des ampoules à incandescence) et d’autres graves (surchauffe du système et incendies).
Les fusibles sont des dispositifs de sécurité importants pour de nombreux appareils électriques, mais la plupart d’entre nous ne savent même pas qu’ils sont là. Dans les lumières de vacances, le fusible peut se trouver près de la partie du brin qui se branche dans le mur, souvent appelée — et je n’invente rien — l’extrémité mâle du fil. Normalement, le fusible est accessible par une petite porte en plastique dans la fiche qui peut être ouverte et fermée pour remplacer le fusible.
Lorsque le courant électrique à l’intérieur d’un fil augmente, le fil peut chauffer, provoquant parfois une fusion ou même des incendies. Pour éviter cela, les fusibles ont été introduits comme des « dispositifs sacrificiels » (si désintéressés de leur part !). Lorsque le courant augmente au-delà d’un niveau sûr, au lieu que le fil fonde ou que votre sapin de Noël prenne feu, le fusible ouvre le circuit en toute sécurité, évitant ainsi de nombreux scénarios désastreux.
Les fusibles sont généralement de petites sections de fil remplaçable, évaluées à un niveau de courant maximal. Parce qu’ils sont plus délicats que le reste du câblage, un fusible brûle avant que la surintensité n’ait l’occasion de surchauffer d’autres portions du brin d’éclairage. Lorsqu’un fusible se brise, le circuit devient incomplet et le courant ne peut pas circuler dans le reste du circuit.
Et qu’en est-il de mes nouveaux luminaires de vacances à LED ?
Les guirlandes lumineuses de vacances à LED sont de plus en plus populaires. Ils sont plus robustes, durent plus longtemps et consomment 70 % moins d’énergie que les guirlandes lumineuses à incandescence classiques. Il ne coûte que 0,27 $ pour éclairer un arbre de 6 pieds 12 heures par jour pendant 40 jours avec des LED, contre 10 $ pour des lumières à incandescence. En plus de cela, elles sont beaucoup moins susceptibles de brûler ou de se briser par rapport à leurs précurseurs à incandescence. Pourquoi cela ?
Alors que la technologie des lampes à incandescence est relativement simple (un filament chauffé s’allume un peu comme n’importe quelle braise dans un feu), la mécanique des lumières LED est beaucoup plus sophistiquée. Il faut un peu de connaissances en physique des particules pour comprendre, mais je vais vous donner la version rapide : Une diode est constituée de ce que l’on appelle une jonction p-n : deux matériaux semi-conducteurs situés l’un à côté de l’autre, l’un avec une charge positive (p) et l’autre avec une charge négative (n). Lorsqu’un courant est appliqué au système, les électrons du côté négatif se déplacent vers le côté positif. Du côté positif, des particules appelées « trous d’électrons » se déplacent vers le côté négatif. Lorsqu’un électron et un trou d’électron entrent en collision, une petite quantité d’énergie est libérée sous forme de photon. Le résultat est la lumière visible que nous voyons dans une LED.
Les LED sont câblées en série-parallèle tout comme les ampoules traditionnelles que nous avons décrites ci-dessus. Cependant, contrairement aux ampoules à incandescence, les LED ne font généralement pas appel à des shunts. Lorsque les ampoules à incandescence tombent en panne, le filament manquant provoque un circuit ouvert — une augmentation drastique de la résistance trop élevée pour que le courant puisse la traverser. En revanche, lorsqu’une LED tombe en panne, elle se met généralement en court-circuit, créant ainsi un chemin de moindre résistance. Cela prend essentiellement la place d’un shunt, ce qui rend les shunts inutiles pour les LED.
Qu’est-ce qui ne va pas avec mes lumières?
Alors, maintenant que nous comprenons la mécanique des lumières de vacances, abordons certains problèmes courants que nous rencontrons et comment y remédier.