dossier led

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dossier led
DOSSIER
LED
ÉCLAIRER AVEC UNE
NOUVELLE SOURCE
LUMINEUSE
2e édition, décembre 2011
Avant-propos
L’avènement des LED transforme en profondeur le monde de l’éclairage. La nouvelle source lumineuse que constituent les LED suscite des développements, applications et défis entièrement nouveaux. De surcroît, les LED évoluent à un rythme effréné. En conséquence, suivre et approfondir
ces nombreux changements ne va pas toujours de soi.
ETAP s’y emploie activement depuis 2003 et a acquis une très grande expérience des LED. À travers ce dossier, nous voulons vous proposer des
informations objectives, étayées au plan technique, afin de vous permettre d’avoir un regard clair sur cette matière complexe.
Étant donné l’évolution rapide de la technologie LED, les informations liées sont très volatiles et rapidement datées. Dès lors, ce document fait
l’objet de révisions à intervalles réguliers. Les mises à jour les plus récentes sont indiquées dans la marge. Pour connaître l’état de la situation le
plus récent, nous vous renvoyons à notre site Internet www.etaplighting.com où vous pourrez toujours retrouver la version la plus récente de ce
document.
2e édition, décembre 2011
© 2011, ETAP SA
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ÉCLAIRER AVEC UNE
NOUVELLE SOURCE
LUMINEUSE
TABLE DES MATIÈRES
1. La LED comme source lumineuse ........................................................................................................................................................................ 4
1. Comment fonctionnent les LED ? ................................................................................................................................................................. 4
2. Les types de LED ................................................................................................................................................................................................... 5
3. Les avantages des LED ....................................................................................................................................................................................... 7
4. Les fabricants de LED .......................................................................................................................................................................................12
5. Le futur des LED .................................................................................................................................................................................................13
2. Concevoir des luminaires à LED ......................................................................................................................................................................... 14
1. Possibilités et défis ............................................................................................................................................................................................14
2. La distribution lumineuse adaptée .............................................................................................................................................................15
3. Les luminances sous contrôle ......................................................................................................................................................................17
4. Conception thermique réfléchie ..................................................................................................................................................................17
5. Le binning, pour une qualité de lumière constante ............................................................................................................................19
6. Sécurité électrique ............................................................................................................................................................................................20
6. Publier des données correctes .....................................................................................................................................................................21
7. Normes ..................................................................................................................................................................................................................22
3. Les alimentations pour les luminaires à LED ............................................................................................................................................ 23
1. Critères de qualité pour les alimentations LED ......................................................................................................................................23
2. Sources de courant vs sources de tension ..............................................................................................................................................24
4. Éclairer avec des LED – aspects photométriques .................................................................................................................................... 26
1. Dépréciation et facteur de maintenance .................................................................................................................................................26
2. Études d’éclairage avec des luminaires à LED .......................................................................................................................................27
3. Intégration de systèmes à économie d’énergie ....................................................................................................................................27
5. Questions et réponses ............................................................................................................................................................................................ 28
Terminologie ....................................................................................................................................................................................................................... 29
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Chapitre 1 : La LED comme source lumineuse
1.
COMMENT FONCTIONNENT LES LED ?
LED signifie light emitting diode ou diode électroluminescente (DEL). Une LED
est un semi-conducteur (diode) qui émet de la lumière quand du courant le
traverse. Les matériaux semi-conducteurs que les LED utilisent transforment
l’énergie électrique en un rayonnement électromagnétique visible, c’est-à-dire
en lumière :
Lumière
visible
Le stimulant est donc le courant électrique qui passe par la diode (plus
spécifiquement par la jonction*. La diode que traverse le courant électrique est
– comme toutes les diodes – unidirectionnelle : de la lumière n’apparaîtra que si
un courant continu la traverse dans la ‘bonne’ direction, à savoir de l’anode (pôle
positif) à la cathode (pôle négatif).
Courant continu
Anode (+)
2.50
2.25
2.00
Flux lumineux normalisé
La quantité de lumière générée est à peu près
proportionnelle à la quantité de courant qui
traverse la diode. À des fins d’éclairage, on
travaille par conséquent toujours avec des
alimentations à courant régulé (‘constant
current’), voir chapitre 3.
Cathode (-)
1.75
1.50
1.25
1.00
0.75
0.50
0.25
0.00
0
200
400
600
800
1000
1200
Courant (mA)
Influence du courant sur le flux lumineux
La combinaison de la LED (le semi-conducteur), de l’embase et de l’optique primaire est appelée un composant LED. Ce composant LED englobe
et protège la LED, veille à ce que la chaleur générée en interne soit également diffusée, et comprend un système optique primaire – disons une
petite lentille – afin de collecter et de rayonner la lumière générée par la LED selon un schéma défini.
Optique primaire
Led
Jonction
Substrat
Raccordement électrique
Construction d’un composant LED
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La LED émet une lumière monochromatique. La couleur de la lumière dépend des matériaux utilisés pendant la production. Il peut s’agir de
toutes les couleurs saturées du spectre visible, du violet au rouge en passant par le bleu et le vert.
UPDATE
Si nous voulons produire de la lumière, nous procéderons comme suit :
1. De manière dichromatique:
- La manière la plus courante est de munir une LED bleue d’un matériau luminescent qui transforme une partie de la
lumière bleue en lumière blanche (ou plutôt ‘jaune’). La composition du matériau luminescent détermine la température
de couleur de la lumière en résultant (plus d’informations sur la température de couleur plus loin dans ce chapitre).
2. De manière trichromatique
- En mélangeant les couleurs rouge, verte et bleue (RGB).
- En combinant des LED blanches selon le premier principe avec des LED rouges ou ambre. Dans ce cas, différentes
températures de couleur sont possibles avec un seul module.
2.
LES TYPES DE LED
Les sources lumineuses à LED peuvent être subdivisées de nombreuses façons. Nous distinguons chez ETAP les niveaux suivants :
NIVEAU 1 - LED À OPTIQUE PRIMAIRE
Dans ce cas, le fabricant d’éclairage (ETAP) achète le composant LED, produit lui-même des PCB
(printed circuit boards – circuits imprimés) sur mesure et les combine avec une optique secondaire.
Cette méthode offre la plus grande flexibilité de conception, car il est possible d’intégrer totalement la
forme du module d’éclairage dans le design du luminaire.
On travaille actuellement exclusivement avec des LED SMD (Surface Mounted Device). Ces LED sont
soudées directement sur la surface d’un circuit imprimé et présentent une évacuation de chaleur sensiblement meilleure. Ces types sont de
conception plus récente et optimisés spécifiquement pour produire des puissances et des flux lumineux supérieurs. Leur durée de vie et leur
rendement sont sensiblement améliorés. En termes de puissance, une gamme complète est disponible, allant des LED Low Power (de 70 mW
à 0,5 W) aux Power LED (d’1 W à 3 W) et aux High Wattage LED (jusqu’à 90 W). Les flux lumineux par LED varient dans ce cadre de 4 lm par
composant à 6 000 lm pour les puissances les plus élevées.
NIVEAU 2 – PCB (printed circuit boards ou circuits imprimés) PRÉGARNIS
Le fabricant d’éclairage achète auprès du fournisseur de LED des circuits imprimés prégarnis. Il s’agit
de circuits imprimés sur lesquels une ou plusieurs LED sont déjà montées. L’électronique de commande
nécessaire peut également déjà se trouver sur les circuits imprimés, de sorte que les modules peuvent
être raccordés simplement sur une source de tension. De tels PCB prégarnis existent en différentes
formes d’exécution (ronde, linéaire ou en barrettes, substrats flexibles,…) et peuvent être équipés aussi
bien de LED SMD basse puissance (Low Power), que haute puissance. Les PCB linéaires à LED d’Osram
ou de Philips en constituent des exemples.
Les circuits imprimés prégarnis offrent d’une part l’avantage de modules d’éclairage prêts à l’emploi.
D’autre part, la forme des modules est définie, ce qui limite quelque peu la liberté de création. Il n’est
pas non plus possible d’optimiser complètement le type de LED en fonction de l’application visée.
NIVEAU 3 – MODULES LED (lampes complètes)
Les modules LED franchissent une étape supplémentaire : le circuit imprimé prégarni est intégré dans
un caisson avec les interfaces électriques et thermiques nécessaires. Une optique secondaire peut
également être éventuellement intégrée.
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Module Fortimo Philips
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Les modules LED franchissent une étape supplémentaire : le circuit imprimé prégarni est intégré dans un caisson avec les interfaces électriques
et thermiques nécessaires. Une optique secondaire peut également être éventuellement intégrée.
Des modules commerciaux sont notamment :
s les modules LLM (Linear Light Module) et DLM (Downlight Light Module) Fortimo de Philips (voir photo), qui génèrent une lumière
blanche sur la base de LED bleues et de la technologie dite du remote phosphor)
s le module LED Tridonic TALEX
s la PrevaLED Osram (LED blanches classiques)
s les modules spot et luminaires de Xicato
s les tubes LED (par ex. Osram, Philips)
FAIRE LE MEILLEUR CHOIX
En fonction de l’application, ETAP choisit l’un des trois niveaux (niveau 1, 2 ou 3). Ainsi, dans l’éclairage de sécurité et les produits Flare, des
composants de niveau 1 sont utilisés parce que la liberté de choix des LED et du montage (propre à la technologie de niveau 1) autorise une
performance optimale dans un design sobre. Dans d’autres cas, nous souhaitons exploiter de manière optimale l’expertise du fabricant de la
LED (co-design), ses possibilités logistiques (l’évolution fulgurante des LED implique en effet toujours une obsolescence rapide des stocks) ou
l’évolution de ses LED : nous pouvons ainsi faire progresser automatiquement nos luminaires en fonction de l’évolution de la technologie LED
chez le fournisseur. Pour cette raison, ETAP met également en œuvre des LED de niveau 2 et de niveau 3, par exemple pour les luminaires à
diffuseur ou les downlights à LED à réflecteur secondaire classique.
niveau 1: K9
niveau 2: UM2 à LED
niveau 3: D1 à LED
ENCORE À LEURS BALBUTIEMENTS : LES OLED DESTINÉES À L’ÉCLAIRAGE
La diode électroluminescente organique (DELO) ou OLED est une source lumineuse
bidimensionnelle. L’OLED consiste en une couche en matière synthétique
extrêmement fine (d’environ 100 à 200 nanomètres) insérée entre deux électrodes,
l’anode et la cathode. L’anode est toujours transparente, la cathode peut, en
fonction de l’application, être transparente ou réfléchissante.
UPDATE
Lors de l’application de courant, de la lumière est produite dans la couche en
matière synthétique (comme pour une LED classique) qui s’échappe ensuite vers
l’extérieur par une des électrodes. Un avantage de cette source lumineuse est
qu’elle est ultramince : appliquée sur un substrat en verre, elle ne fait même pas
2 mm d’épaisseur. Il est en outre possible d’appliquer des OLED sur des substrats
flexibles, par exemple pour fabriquer des écrans flexibles ultrafins.
Philips Lumiblade: module OLED
Bien que les OLED soient déjà mises en œuvre commercialement (principalement dans des écrans de petites dimensions), cette technologie
n’en est encore qu’à ses balbutiements pour les applications d’éclairage. En effet, le flux lumineux, la durée de vie, la stabilité de couleur et
l’uniformité pour les plus grandes surfaces (>10 cm²) sont encore trop limités. Un exemple (statut mi- 2011) : efficacité provisoirement encore
limitée, +/- 20 lm/W pour les OLED blanches et 40 lm/W pour les OLED vertes, avec une luminosité de 500 cd/m2.
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3.
LES AVANTAGES DES LED
100
AVANTAGE 1 : LONGUE DURÉE DE VIE UTILE
90
80
Flux lumineux relatif (%)
La durée de vie utile des LED est fortement influencée par
les conditions d’utilisation spécifiques, le courant et la
température interne (et donc également la température
ambiante) étant les facteurs les plus importants. Aujourd’hui,
pour les LED de qualité, nous pouvons partir d’une durée de
vie de 50 000 heures. Nous entendons par-là la période au
cours de laquelle le flux lumineux diminue jusqu’à 70 % de sa
valeur initiale (voir encadré sur la MTTF). Cette durée de vie
est d’application à condition que la LED soit utilisée dans les
limites de température présupposées (typiquement 80-85°C).
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
50
100
Temps (h x 1000)
Durée de vie des LED
Pour déterminer la durée de vie de LED, il importe de faire la distinction entre l’échec paramétrique (chute du flux lumineux) et l’échec
catastrophique (la défaillance réelle de la LED). Quand un fabricant parle d’une durée de vie L70, il entend le temps au cours duquel
un pourcentage déterminé des LED chute à 70 % du flux lumineux initial. Ce pourcentage des LED est indiqué par B – par ex. B50
représente 50 %. Pour déterminer la durée de vie, on ne tient toutefois pas compte de la défaillance potentielle de certaines LED –
celles-ci sont éliminées du test. Pourtant, pour l’utilisateur, une LED défectueuse a également sa pertinence. Quand la durée de vie est
déterminée en tenant compte également des LED défectueuses, il est question de durée de vie F. Normalement, celle-ci sera donc plus
basse que la durée de vie B.
Ainsi, par ex. L70F10 signifie l’intervalle de temps au cours duquel 10 % chutent à moins de 70 % du flux lumineux initial ou connaissent une défaillance pour une autre raison. Les normes et recommandations internationales favoriseront et même imposeront de plus
en plus l’utilisation de la définition F de la durée de vie des LED.
Un autre point positif est que la source lumineuse à LED ne contient pas de parties vulnérables ou mobiles comme le verre, un filament ou
des gaz. Les solutions à LED bien produites sont dès lors très robustes et résistent bien aux vibrations ou à d’autres contraintes mécaniques.
Bien que robustes au plan mécanique, les composants à LED (comme tous les autres éléments électroniques) sont cependant très sensibles
aux influences électrostatiques. Tout contact avec les circuits imprimés à LED sans une bonne mise à la terre ne peut dès lors être toléré. Il
convient également d’éviter le raccordement direct de LED à une alimentation déjà sous tension. Les pics de courant qui interviennent peuvent
détruire complètement une LED.
Halogène
LED = 18x Cree XP-E Q4 4000K @ 350 mA
B50/L70
5000
8000
Fluo compact
120
Temps d’exploitation (kh)
UPDATE
Il est important de savoir que la durée de vie utile des LED
Dépréciation du flux lumineux dans le temps
dépend fortement des exigences qui sont posées à leur
application. Ainsi, pour certaines applications architecturales
ou résidentielles, un recul lumineux de 30 % ou plus sera
accepté et la durée de vie pourra dépasser les 50 000 heures. Pour d’autres applications dans le secteur de l’éclairage professionnel, une panne
de 50 % avec un recul lumineux de 30 % ne sera pas acceptable – et la durée de vie réelle sera moindre.
10000
Compact HID (CDM-T)
Vapeur de mercure
haute pression (HID)
12000
20000
Fluo lineaire
LED
100
80
60
40
20
50000
0
0
10000
20000
30000
40000
50000
uur
Valeurs typiques por la durée de vie utile (simplification)
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60000
60
70
80
90
100
110
120
Température de jonction LED Tj (°C)
Influence de la température de jonction sur la durée de vie
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Avantage 2 : Efficacité énergétique élevée possible
120
Flux lumineux spécifique (lm/W)
UPDATE
Les LED blanc froid d’une température de couleur de 5 000 à 7 000 K (kelvin) atteignent déjà aujourd’hui dans des conditions de référence
plus de 160 lm/W et devraient être disponibles commercialement en 2013. Les LED d’une température de couleur inférieure de 2 700 à 4 000
K (le plus utilisé pour les applications d’éclairage en Europe) sont encore légèrement en retrait en termes d’efficacité. Dans ces températures
de couleur, en 2011, des rendements jusqu’à 80 lm/W sont disponibles commercialement.
100
UM2 led
4000 K
6500 K
80
E1 led
FLARE
60
K9 Lighting
(première génération)
40
Ces courbes sont basées sur les valeurs
maximales de types disponibles dans le
commerce de High Powerleds (il ne s’agit
donc pas de moyennes ni de performances
en laboratoire). Ces courbes varient en
fonction de la température de jonction –
voir chapitre 2.4.
K9 Lighting (deuxième génération)
20
GUIDE
0
1998
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
Évolution du flux lumineux spécifique de LED pour 2 températures de couleur, avec indication
de quelques produits ETAP, à la température de jonction en usage normal (hot lumens)
Flux lumineux spécifique (lm/W)
Nous parlons ici toujours de lm/W de la « lampe » (comme pour le fluo) dans des conditions de référence (25°C de température de jonction Tj
pour les LED. Dans des conditions d’utilisation réelles, les valeurs seront plus basses. L’efficacité réalisée par le luminaire est encore plus faible.
Pour illustration, un exemple des luminaires E1 à LED et UM2 à LED :
LED
mesurée en test éclair, à 25°C
LED
mesurée en test éclair, à 25°C
100 lm/W (blanc froid)
LED
en conditions d’utilisation réelles
LED
en conditions d’utilisation réelles
87 lm/W
74 lm/W
LED avec pilote commercial
Luminaire
(y compris optique et lentille)
20
40
112 lm/W
98 lm/W
LED avec pilote commercial
Luminaire
(y compris optique et lentille)
70 lm/W (réflecteur ouvert)
0
117 lm/W
60
80
100
120
lumen/watt
87 lm/W
0
20
E1 à LED
40
60
80
100
120 140
lumen/watt
UM2 à LED
À titre de comparaison : luminaire à réflecteur U5 à lampe fluorescente 1 x 35W
94,3 lm/W
Lampe fluorescente
86,8 lm/W
Lampe fluorescente avec ballast
81,6 lm/W
Luminaire à lampe fluorescente
0
20
40
60
80
100
lumen/watt
Luminaire à réflecteur U5
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UPDATE
Les LED ayant une température de couleur élevée et donc une lumière plus froide ont une plus grande efficacité que les mêmes LED avec une
température de couleur plus basse. Le matériau luminescent utilisé pour créer un blanc chaud contient en effet plus de rouge et l’efficacité de
ce composant rouge est plus faible que celle du jaune. Si bien que le rendement global de la LED diminue.
À titre de comparaison :
2012-2015
LED
Lampes à réflecteur
dichroïde
Lampes fluorescentes
Lampes à vapeur
de mercure haute pression
Lampes à incandescence
halogènes basse tension
Lampes à incandescence
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
lm/W
Valeurs typiques pour l’efficacité de la source lumineuse
Avantage 3 : Bon rendu des couleurs, choix de la température de couleur
Température de couleur
La température de couleur d’une source lumineuse pour une lumière blanche est définie comme « la température d’un corps noir dont la
lumière émise donne la même impression de couleur que la source lumineuse ». La température de couleur est exprimée en kelvin (K). Une
lumière bleuâtre a une température de couleur plus élevée et est ressentie comme ‘plus froide’ que la lumière d’une température de couleur
inférieure.
Différentes subdivisions et appellations existent, chacune avec sa référence à des températures de couleur reconnaissables :
Blue LED
Led bleue
chip
Puce
Phosphor6000K
6000K
Phosphor
Phosphor3000K
3000K
Phosphor
10,000
Lumière nordique (ciel bleu)
y
0.9
9,000
520
0.8
540
8,000
0.7
7,000
Lumière du jour ennuagée
500
6,000
5,000
5000
3000
0.0
6000
2000 1500
10000
490
600
620
700
0.0
0.2
Début de lever de soleil
Lumière au tungstène
Lumière de bougie
Indication de températures de couleur
UPDATE
Tc (°K)
0.4
0.3
3,000
1,000
580
0.5
Lumière à midi, soleil direct,
Ampoules à éclair éléctroniques
4,000
2,000
560
0.6
480
0.1
470
460
0.0
0.0
0.1
380
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
x
Création de lumière blanche avec du matériau luminescent
En ce qui concerne la lumière blanche de LED RGB (dans lesquelles les couleurs rouge, verte et bleue sont mélangées), toutes les températures
de couleur sont possibles, mais le pilotage et le contrôle au cours du temps sont complexes étant donné que les trois couleurs ont une
dépendance à la température différente. C’est la raison pour laquelle cette solution est moins mise en œuvre pour l’éclairage.
Pour les LED à conversion par un matériau luminescent, la température de couleur est déterminée par le choix d’une part du bleu de la LED et
d’autre part du matériau luminescent.
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9 | ETAP
UPDATE
Qu’en est-il de l’éclairage de sécurité ?
Pour l’éclairage de sécurité, ETAP opte résolument pour des températures de couleur élevées. Les LED à hautes
températures de couleur sont plus efficaces, si bien qu’elles nécessitent une puissance de batterie inférieure.
De surcroît, à faible niveau d’éclairement, l’œil humain est plus sensible à la lumière bleuâtre.
Rendu des couleurs
L’indice de rendu des couleurs (IRC – Color Rendering Index en anglais – CRI) d’une source lumineuse traduit la qualité du rendu des couleurs
d’objets éclairés par cette source lumineuse. Pour parvenir à cet indice, nous comparons le rendu des couleurs d’objets éclairés par la source
lumineuse avec le rendu des couleurs des mêmes objets éclairés par un luminaire noir (avec la même température de couleurs).
Le rendu des couleurs de LED est comparable à celui de lampes fluorescentes et varie – en fonction de la température de couleur – entre 60
et 98.
s
s
Pour les applications d’éclairage ordinaires en blanc chaud ou blanc neutre, ETAP opte pour des LED d’un rendu des couleurs de
80.
Pour les systèmes d’éclairage de sécurité alimentés par batterie, le rendement est plus important que le rendu des couleurs (un
rendu des couleurs minimum de 40 est requis ici). C’est pourquoi nous utilisons dans l’éclairage de sécurité des LED blanc froid à
haut rendement avec un rendu des couleurs d’environ 60.
Pour les LED blanches avec conversion par un matériau luminescent, le rendu des couleurs est également déterminé par le choix du matériau
luminescent (par exemple le phosphore). Pour le mélange de couleurs RGB, les trois couleurs de base saturées sont mélangées et d’excellents
rendus de couleur sont également possibles. Le pilotage et le contrôle sont toutefois plus complexes dans ce cas.
À titre de comparaison :
Fluo :
LED :
Lampe à incandescence :
CDM:
Lampe sodium :
Ra de 60
Ra de 60
Ra de 100
Ra de 80
Ra de
0
à
à
98
98
à
95
Bon à savoir…
Une LED à température de couleur plus basse (donc blanc chaud) a généralement un rendu des couleurs plus élevé (meilleur) qu’une
LED ayant une température de couleur supérieure (blanc froid).
10 | ETAP
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Avantage 4 : Flux lumineux immédiat lors du démarrage
Flux lumineux relatif comparé à Tamb = 20°C (%)
Les lampes fluorescentes ne délivrent pas la totalité
du flux lumineux immédiatement après le démarrage.
Les LED, en revanche, réagissent directement aux
changements dans l’alimentation. Après l’allumage,
elles atteignent immédiatement le flux lumineux
maximal ; elles conviennent par conséquent
particulièrement aux applications aux fréquentes
commutations et où la lumière ne brille souvent que
pendant une courte période.
Il en va de même également lorsque les températures
ambiantes sont plus basses, où elles fonctionnent
même mieux. l’E1 à LED, par exemple, tire profit de cet
avantage pour les applications en surgélation.
140,0
120,0
100,0
80,0
60,0
40,0
20,0
0,0
0:00
0:05
0:10
0:15
0:20
0:25
0:30
0:35
0:40
0:45
0:50
0:55
1:00
Temps (hh:mm)
E1 LED
E1 FLUO AVEC LAMPES ADAPTÉES ET BALLASTS CONVENANT À DES ENVIRONNEMENTS DE SURGÉLATION
E1 MET AVEC BALLAST CONVENANT À DES ENVIRONNEMENTS DE SURGÉLATION
De surcroît, les LED – contrairement par exemple
aux lampes CDM – peuvent aussi sans problème
être rallumées alors qu’elles sont encore chaudes,
une commutation fréquente n’ayant pas d’influence
négative sur la durée de vie.
Comparaison du comportement au démarrage de LED versus fluo à -30°C
ǀĂŶƚĂŐĞϱ͗ŽŶŶĞŵŽĚƵůĂƟŽŶƉŽƐƐŝďůĞƐƵƌƵŶĞůĂƌŐĞƉůĂŐĞ
Puissance d’entrée (W)
Les LED peuvent être modulées de manière efficace sur une large plage (de quasi 0 % à 100 %) ou être pilotées de manière dynamique. Pour
ce faire, les méthodes de gradation normalisées comme DALI, DMX ou 1–10 V peuvent être utilisées.
Les pertes de gradation pour les LED dans les plages de gradation plus basses sont comparables aux pertes de gradation pour les lampes
fluorescentes équipées des ballasts de gradation les plus modernes. En cas de gradation complète, la puissance absorbée résiduelle s’élève
encore à 10 % de la puissance nominale absorbée.
Courant LED (mA)
Effet de la gradation sur la puissance absorbée
Les LED conviennent par conséquent particulièrement à une intégration dans des environnements dynamiques programmés.
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11 | ETAP
Une différence subsiste toutefois dans la mesure de la gradation possible. Les LED peuvent être modulées très bas, par exemple jusqu’à 0,1 %*.
Ce n’est pas possible avec les lampes fluo ; la limite de gradation possible s’y élève dans la pratique à 3 % (sous cette limite, les lampes fluo
connaissent souvent des problèmes de démarrage ou de stabilité).
* Ce pourcentage dépend du pilote utilisé.
Avantage 6 : Respectueux de l’environnement
Il ressort d’études LCA* (Life Cycle Analysis ou analyse du cycle de vie, ACV – qui étudient l’impact écologique d’un produit de la production
jusqu’au recyclage et à la transformation) que les LED, comparées à d’autres sources lumineuses, possèdent le potentiel pour représenter dans
le futur la plus petite empreinte écologique. De surcroît, elles ne contiennent pas de mercure, contrairement aux lampes fluorescentes.
* Assessment of Ultra-Efficient Lamps ; Navigant Consulting Europe ; 5 mai 2009.
Avantage 7 : Pas de rayonnement IR ou UV
Les LED ne développent pas de rayonnement ultraviolet (UV) ou infrarouge (IR) dans le faisceau. Elles conviennent dès lors particulièrement
pour les environnements dans lesquels un tel rayonnement doit être évité, comme dans les musées, les magasins de denrées alimentaires ou
les boutiques de vêtements.
La LED génère certes de la chaleur, mais celle-ci est dirigée vers l’arrière, à l’écart de l’objet à éclairer (nous allons y revenir – voir chapitre 2).
4.
LES FABRICANTS DE LED
Actuellement, un nombre limité de grands acteurs possédant leur propre production de semi-conducteurs (pour les LED blanches) est actif, par
exemple Cree (US), Philips Lumileds (US), Osram (DE), Nichia (JP) et Toyoda Gosei (JP).
Il existe en outre un grand nombre de fabricants qui achètent du matériel semi-conducteur et des matériaux luminescents et les assemblent
eux-mêmes en composants LED de niveau 1 ou de niveau 2. Des exemples sont Citizen, Bridgelux, Luminus, GE, Edison, Seoul Semiconductor,
Samsung, Panasonic, Toshiba et LG.
Nous utilisons chez ETAP un certain nombre de critères pour sélectionner les fabricants avec lesquels nous collaborons ou non. Les critères
principaux sont : la performance, le prix, la documentation (données démontrables avec des références aux normes courantes), la disponibilité
à long terme (important pour la continuité de notre production de luminaires).
ETAP collabore avec plusieurs des fournisseurs susmentionnés, et cela en fonction de l’application.
12 | ETAP
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5.
LE FUTUR DES LED
UPDATE
La technologie LED évolue rapidement.
s
s
s
s
s
s
Le flux lumineux spécifique des LED progresse à vue d’œil. Aujourd’hui, elles supplantent largement les lampes halogènes et
à incandescence en termes de flux lumineux. En comparaison avec les lampes fluorescentes compactes également, elles sont
désormais devenues réellement compétitives. On peut s’attendre à ce qu’elles puissent bientôt concurrencer les solutions fluo
linéaires les plus efficaces. L’on peut affirmer grosso modo que chaque année, pour le même flux lumineux, une diminution de prix
de 10 % intervient ou que l’on bénéficie pour le même prix de 10 % de flux lumineux spécifique en plus.
On s’attend toutefois généralement à une limite à 180 à 200 lm/W pour les couleurs chaudes.
De nouvelles technologies sont toujours mises au point pour améliorer l’efficacité et le coût à plus long terme.
Des initiatives de normalisation sont en cours sur le plan des modules, avec des flux lumineux déterminés et des interfaces
mécaniques bien définies (par exemple Zhaga, un consortium pour la normalisation de l’« extérieur » de modules LED, autrement
dit les interfaces).
ETAP est membre de
Le contrôle de la couleur s’améliore en permanence et on assiste donc à des binning de couleurs plus étroits. (Plus d’info sur le
binning au chapitre 2.)
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13 | ETAP
Chapitre 2 : Concevoir des luminaires à LED
1.
POSSIBILITÉS ET DÉFIS
Les LED sont très petites en comparaison avec des sources lumineuses plus classiques comme les lampes fluorescentes. En d’autres termes, la
source lumineuse d’un luminaire peut être divisée. Cela donne la possibilité de créer des luminaires plus fins et d’expérimenter avec les formes
de manière beaucoup plus créative.
Mais la conception de luminaires à LED nous pose plus qu’un défi. Nous devons tout d’abord sélectionner les LED qui conviennent à l’application
visée. La puissance, le flux lumineux, le comportement à la température, la durée de vie, la température de couleur et le prix de revient sont
dans ce cadre des paramètres importants. La conception et l’intégration d’optiques (lentilles, diffuseurs, réflecteurs) assurent la distribution
lumineuse souhaitée. La régulation thermique des luminaires à LED est également déterminante pour la performance. Et nous combinons
encore tout cela avec une esthétique élégante.
Conception
optique
Conception
mécanique
Conception
électrique
Conception
thermique
Conception
esthétique
14 | ETAP
Nouvelles techniques
de conception et
de production 3D
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2.
LA DISTRIBUTION LUMINEUSE ADAPTÉE
La plupart des LED ont une plus large distribution lumineuse et diffusent la lumière avec un angle de 80 à 140° (angle complet). À l’aide
d’optiques secondaires et tertiaires (lentilles, diffuseurs, réflecteurs ou leurs combinaisons), nous pouvons atteindre des distributions
lumineuses spécifiques. Une distribution lumineuse adaptée est importante pour conserver dans chaque application la puissance spécifique
aussi basse que possible, et donc également la consommation d’énergie.
Quelques exemples :
LED nues
Exemple : Pluto
Les LED nues ont généralement des luminances égales dans
toutes les directions (ce que l’on appelle la distribution lumineuse
lambertienne). Elles sont utilisées de moins en moins souvent en
raison de leur luminance de crête élevée.
Lentilles disponibles dans le commerce
Exemple : Spots Flare avec une émission de lumière très pointue.
Lentilles spécifiques ETAP
Exemple d’éclairage : Downlights D4 avec lentilles brevetées
par ETAP pour un éclairage à distribution lumineuse extensive.
Exemple d’éclairage de sécurité :
K9 Anti-panique, distribution lumineuse extrêmement extensive
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15 | ETAP
Réflecteurs
Exemple : E1 à LED
γ
Exemple : D1 à LED
UPDATE
Combinaison d’une lentille et d’un réflecteur
Exemple : K9 évacuation
Conducteurs de lumière
Exemple UW
Exemple K7
Diffuseurs ou films comme MesoOptics™
Exemple : UM2 à LED
16 | ETAP
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3.
LES LUMINANCES SOUS CONTRÔLE
Avec la progression constante des performances des LED et des puissances maximales, la luminance de la source augmente également très
rapidement. Ces luminances peuvent rapidement s’élever de 10 à 100 millions de cd/m². Car plus petite est la surface d’où provient la lumière,
plus grande peut être la luminance de la source lumineuse.
Quelques exemples de luminances de source :
s
s
s
s
s
Fluo linéaire - T8
Fluo linéaire – T5
Fluo compact par ex. 26 W
LED nue 3 W (100 lm)
Soleil
14 000 cd/m²
15 000 – 20 000 cd/m² ¬17 000 cd/m² (HE) et 20 000 – 33 000 cd/m² (HO)
50 000 cd/m²
100 000 000 cd/m²
1 000 000 000 cd/m² (=10 x LED !)
Un concept optique réfléchi est dès lors absolument nécessaire pour diffuser la lumière de ces sources ponctuelles vives, éviter l’exposition
directe au regard et diminuer l’éblouissement. Pour ce faire, nous pouvons mettre en œuvre aussi bien des lentilles, des réflecteurs que des
diffuseurs. Quelques exemples :
s
s
4.
Downlights Flare (UGR<19, luminance <1 000cd/m² à 65°):
ƕ
Diffusion de la source lumineuse sur une plus grande surface pour limiter les luminances.
ƕ
Utilisation de lentilles à surface texturée pour l’aplanissement de la luminance par source lumineuse et éviter l’éblouissement
en cas d’exposition directe au regard.
UM2 à LED : répartition de la source lumineuse sur la totalité du luminaire. Le diffuseur MesoOptics™ limite les luminances et
assure une diffusion lumineuse contrôlée
CONCEPTION THERMIQUE RÉFLÉCHIE
La maîtrise de la température (refroidissement) est sans doute le
plus grand point d’attention dans la mise au point d’un éclairage
LED de qualité. En fonction de la performance de la LED, 2530 % de l’énergie est convertie en lumière visible et 70-75 % en
chaleur au sein du composant (dissipation).
25-30% DE LUMIÈRE
70-75%
DE CHALEUR
À titre de comparaison : Les lampes fluorescentes rayonnent
également quelque 25 % de la puissance convertie sous la forme
de lumière visible. La différence est que pour le fluo, quelque 40
% de l’énergie est également rayonnée sous la forme d’infrarouge
ou de rayonnement thermique.
Lorsque les températures sont plus basses, le flux lumineux
augmente : les LED fonctionnent toujours mieux à mesure que la
température ambiante diminue.
LED = 18x Cree XP-E Q4 4000K @ 350 mA
1380
1360
Sortie luminaire (lm)
Le flux lumineux de LED baisse progressivement en fonction
d’une température de jonction croissante. Les flux lumineux et
rendements de LED publiés sont valables pour une température
de jonction de 25°C. Dans la pratique, les valeurs réelles seront
toujours plus basses. Occasionnellement, on publie également
des « hot lumens », à savoir le flux lumineux à une température
de jonction de par ex. 85°C.
1340
1320
1300
1280
1260
1240
1220
1200
1180
1160
60
70
80
90
100
110
120
Temperature de jonction LED (°C)
Influence de la température de jonction sur le flux lumineux
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17 | ETAP
Flux lumineux relatif
Le flux lumineux n’est toutefois pas le seul à diminuer en fonction de la température. La durée de vie fonctionnelle s’en trouve également
influencée, à partir d’une température critique.
Temps d’exploitation (h)
Dépréciation de flux lumineux dans le temps pour différentes températures de jonction
Une bonne régulation de température est donc essentielle. L’évacuation de chaleur de la LED vers
l’environnement se fait par stades successifs (via différentes résistances thermiques) :
s
La chaleur générée par la LED est conduite via la puce jusqu’au point de soudage
(1, interne dans la LED).
s
De là, la chaleur est dispersée via le circuit imprimé de la LED (2).
s
Via une interface thermique pour transfert de chaleur entre le circuit imprimé et la pièce
de refroidissement, la chaleur est dispersée via le substrat (3).
s
La chaleur est évacuée vers l’environnement par convection et rayonnement (4).
Un flux d’air libre autour du luminaire est essentiel pour une bonne dissipation de chaleur. C’est pourquoi le comportement thermique d’un
appareil à LED sera différent en cas de montage en saillie ou encastré, et il convient de toujours prévoir un espace libre suffisant autour du
luminaire (il ne peut certainement pas y avoir d’isolation autour !).
Études thermiques pour D1 et D4 (Flare downlight)
18 | ETAP
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5.
LE BINNING, POUR UNE QUALITÉ DE LUMIÈRE CONSTANTE
Lors de la production, les LED d’un même lot ou d’une même série présentent
des caractéristiques différentes, par exemple en termes d’intensité et de couleur.
L’utilisation de différentes LED mélangées dans le même luminaire entraînerait
donc inévitablement des niveaux différents d’intensité lumineuse et des couleurs
de lumière différentes. C’est pourquoi nous procédons au « binning ».
BIN 1
Le « binning » est le tri des LED selon des critères déterminés, comme :
s
s
s
BIN 2
BIN 3
binning de couleur : le tri selon les coordonnées de couleur (x,y)
centrées autour de températures de couleur individuelles ;
binning de flux : le tri selon le flux lumineux mesuré en lumen (lm) ;
binning de voltage : le tri selon la tension directe, mesurée en volt.
Principe du binning
y
0.9
520
0.8
En sélectionnant un « bin de couleur » déterminé, une qualité constante de la
lumière est garantie. Les LED du même bin ont donc une même manifestation.
Des différences de bins de couleur se remarquent par exemple fortement en cas
d’éclairage uniforme d’un mur.
540
0.7
560
0.6
500
580
UPDATE
0.5
Dans l’étude de la perception des couleurs, on utilise ce que l’on appelle des
« ellipses de Mc Adam » (voir figure*). Une telle ellipse est une zone dans le
diagramme CIE qui comprend toutes les couleurs que l’œil humain ne peut pas
distinguer de la couleur au centre de cette ellipse. Les fabricants de LED utilisent
la mesure SDCM (Standard Deviation Colour Matching), 1 SDCM correspondant
à 1 McAdam.
0.4
600
620
0.3
490
700
0.2
480
0.1
470
460
0.0
0.0
0.1
380
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
x
Illustration d’ellipses de McAdam
(source: Wikipedia)
UPDATE
Comment ETAP applique-t-il le binning ?
ETAP pratique une approche systématique pour garantir l’uniformité à tous les niveaux :
s
s
s
s
Par luminaire, nous utilisons toujours des LED avec une
variation inférieure à 2 SDCM.
Nous marquons les différents circuits imprimés garnis
en fonction du bin de couleur utilisé. Nous savons ainsi
toujours de quel bin de couleur les LED proviennent.
Au sein d’une même livraison partielle, nous fournissons
uniquement des luminaires de même code de couleur.
Pour des livraisons partielles réparties dans le temps,
aucune garantie n’est fournie. Les déviations de couleur
peuvent alors atteindre jusqu’à 7 SDCM.
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Colour bin
Flux bin
19 | ETAP
UPDATE
Illustration de bins à différentes températures de couleur
(vert 5 2 SDCM; rouge 5 7 SDCM)
6.
SÉCURITÉ ÉLECTRIQUE
Les LED fonctionnent à basse tension (typiquement autour de rond 3V), c’est pourquoi on pense souvent que la sécurité électrique n’est pas
une question prioritaire. Toutefois, dans les solutions d’éclairage à LED actuelles, la tension peut atteindre jusqu’à 100V et plus. Il convient
par conséquent de prendre des mesures supplémentaires pour rendre les luminaires sûrs au contact.
Les LED disposées en série augmentent la tension
Dans les luminaires d’éclairage, les LED sont de préférence commutés autant que possible en série. La conséquence logique en est toutefois
que la tension augmente. L’un des avantages des LED est qu’elles fonctionnent à basse tension, avec, par LED, une différence de tension
d’environ 3V. Si pourtant l’on commute 30 LED en série dans un seul luminaire, on obtient déjà 90V. Certains pilotes de LED sont même
capables de générer une tension de sortie supérieure à 200V. Ils nécessitent une protection électrique supplémentaire.
Isolation supplémentaire nécessaire à partir de 24V
Les normes internationales (IEC 61347) prescrivent qu’à partir de 24V*, des mesures supplémentaires sont nécessaires pour rendre le
luminaire sûr au toucher. Les LED et autres pièces sous tension ne peuvent être accessibles de l’extérieur. La solution doit être réalisée de
telle manière que les LED ne puissent être touchées qu’après ouverture du luminaire au moyen d’un outil spécial. De surcroît, une bonne
isolation de base doit exister entre toutes les parties conductrices accessibles du luminaire et toutes les parties sous tension. Concrètement,
ETAP prévoit suffisamment d’espace aéré et de maintenance, et du matériel d’isolation électrique est utilisé sans que la gestion thermique
n’en souffre.
AC
DC
V< 25 VRMS (IRMS < 0,7 mA)
< 60 VDC (IDC < 2 mA)
25 VRMS < V < 60 VRMS
60 VRMS < V < 120 VRMS
< 60 VDC < V < 120 VDC
Selon les normes internationales IEC 61247, aucun risque de contact n’existe jusqu’à 24V (CA) ou 60V (CC) (vert). Pour les luminaires à LED
dont la tension de sortie est supérieure (rouge), des mesures de sécurité supplémentaires sont toutefois nécessaires.
*La classe d’isolation du pilote détermine également la nécessité ou non de mesures de sécurité supplémentaires.
20 | ETAP
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UPDATE
7.
PUBLIER DES DONNÉES CORRECTES
Le flux lumineux spécifique est le nouveau critère
Le rendement de luminaires fluorescents est depuis toujours exprimé en pour cent, une indication de l’efficacité avec laquelle le luminaire
gère la lumière. Toutefois, à l’ère des LED, la donnée lumen par watt, donc le flux lumineux par unité de puissance absorbée, est utilisée.
L’important dans ce cadre est que le flux lumineux spécifique de la solution complète est pris en compte, donc tant la source lumineuse que
le luminaire.
Le rendement d’un luminaire fluorescent est déterminé par le flux lumineux d’un luminaire comparé à celui de la lampe nue. Une telle
indication de rendement en pour cent est très concrète. Elle indique avec quelle efficacité un luminaire gère une quantité de lumière.
Cette indication est ainsi devenue la norme pour les solutions à lampes fluorescentes. Sa détermination est également très simple : le flux
lumineux d’un luminaire avec la lampe est mesuré, puis est comparé avec le rendement de la lampe nue.
La LED nue n’est pas une référence exploitable
Dans le cas des solutions à LED, procéder de la sorte est impossible. En effet, le flux lumineux d’une LED nue n’est pas une référence absolue.
Pour commencer, de nombreux types de LED différents existent, le produit n’étant pas standardisé. En outre, des variations de flux lumineux
et de température de couleur interviennent (dès l’usine). Il n’existe pas actuellement de méthode de mesure standard utilisable pour le flux
lumineux d’une LED nue. Et le plus important : le rendement dépend fortement de la température. Une LED fonctionne nettement mieux à
25°C que lorsqu’elle devient chaude dans un luminaire.
Une indication en pour cent serait dès lors pour le moins trompeuse.
Flux lumineux spécifique de la lampe + du luminaire
Le marché de l’éclairage a donc de plus en plus recours à un autre concept. On n’examine désormais plus un luminaire seul, mais la
combinaison lampe + luminaire. On travaille avec la donnée lm/W, basée sur la quantité d’énergie à injecter dans un luminaire pour
obtenir un flux lumineux déterminé. Cette donnée est peut-être moins concrète qu’un pourcentage, mais elle est nettement plus précise.
La performance des solutions à LED dépend en effet de nombreux facteurs, comme du refroidissement, du pilote, de l’intensité du courant,
du facteur hot/cold (la mesure à laquelle le flux lumineux diminue lorsque la température augmente),… L’indication lm/W en tient compte :
plus ces facteurs sont favorables, plus le flux lumineux est grand pour la même puissance. ETAP vise avec ses luminaires à LED des valeurs
toujours plus élevées. Actuellement, un chiffre de 80 lm/W pour un luminaire peut être considéré comme très économique, mais à mesure
que les LED continueront d’évoluer, la barre sera placée toujours plus haut.
Copie écran de la page web ETAP, avec des informations de produit détaillées.
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21 | ETAP
UPDATE
Vous trouverez sur le site Web ETAP, outre le flux lumineux spécifique, d’autres données concernant les LED :
s le type de pilote : à gradation ou non
s le facteur de puissance
s la classe de sécurité photobiologique
s la température de couleur
s la puissance de la lampe
s la puissance absorbée
8.
NORMES
Les luminaires à LED doivent être répartis en fonction de leurs effets nocifs possibles sur la peau et les yeux selon la norme EN-IEC 62471
(relative à la sécurité photobiologique de lampes et de systèmes de lampe). Pour les LED blanches et bleues, l’effet du composant bleu sur les
dommages aux yeux est pratiquement le seul à avoir de l’importance.
Sur la base du temps d’exposition maximal sans conséquences nocives, les luminaires sont répartis en quatre catégories de risque, allant d’un
temps d’exposition illimité à un dommage quasi immédiat en cas d’exposition et/ou d’exposition au regard directe.
La plupart des luminaires ETAP sont sans risque en cas d’exposition illimitée à des distances de vision normales (=500 lux). Des risques possibles
sont constitués par des sources à intensité et luminances de crête très élevées (par exemple le module Fortimo) et surtout des LED bleu pur
(par exemple le module Fortimo après l’ouverture et l’enlèvement de sa protection phosphore à distance. Dans ce cas, il ne faut jamais regarder
directement !)
Exemples
s D4 Flare:
s K9 AP:
s D9 Fortimo 2000 lm:
Groupe « Exempt » (exposition illimitée)
RG-1 (risque faible – exposition limitée <3,0 h)
Groupe « Exempt » (exposition illimitée)
Les luminaires devraient relever de l’« exempt » du groupe RG-1.
22 | ETAP
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UPDATE
Chapitre 3 : Les alimentations pour les luminaires à LED
1.
CRITÈRES DE QUALITÉ POUR LES ALIMENTATIONS LED
L’alimentation est aujourd’hui, de l’avis général, l’un des composants les plus critiques des solutions à LED. La qualité des luminaires à LED ne
dépend pas seulement de la source lumineuse LED et de la conception optique, mais tout aussi bien de l’efficacité et de la fiabilité de l’alimentation.
Une bonne alimentation LED doit satisfaire à six exigences de qualité :
Durée de vie. L’alimentation doit avoir au moins la même durée de vie que les LED, qui
supportent normalement 50 000 heures de fonctionnement (à 70 % du flux lumineux).
Efficacité. L’un des facteurs de succès des LED est l’efficacité énergétique. Dès lors,
la conversion de la tension réseau en courant doit être la plus efficace possible. Une
bonne alimentation LED a un rendement de minimum 85 %.
Facteur de puissance. Le facteur de puissance est un indicateur technique de
l’alimentation qui désigne le degré de proximité de la forme d’onde du courant par rapport
à la sinusoïde de référence de la tension. Le facteur de puissance est composé de 2 parties:
le glissement entre tension et courant (cos ) et la déformation du courant (harmonique
ou Total Harmonic Distortion). Plus le glissement et la déformation de la forme d’onde sont
faibles, moindres sont les pertes et la pollution sur le réseau de distribution du fournisseur
d’énergie. Les alimentations LED ETAP visent un facteur de puissance de plus de 0,9.
Pour les alimentations à facteur de puissance élevée (à gauche), la forme d’onde du courant (en bleu) présente peu de déformation et de
glissement par rapport à la tension (en jaune). Dans les alimentations à faible facteur de puissance (à droite), le contraire est vrai.
Compatibilité électromagnétique (EMC). L’alimentation doit causer le moins possible de perturbations électromagnétiques dans son
environnement et être simultanément la moins influencée possible par les perturbations électromagnétiques issues de l’environnement. Une
bonne compatibilité électromagnétique est par conséquent cruciale.
Courant à la mise en circuit (Inrush current). Quand une alimentation LED est mise sous tension, un courant de crête élevé intervient sur
le réseau pendant une brève période (une fraction d’une milliseconde). Cela provient du fait qu’au début, les condensateurs sont chargés. Avec
les alimentations à faible courant à la mise en circuit, la mise sous tension simultanée de plusieurs luminaires n’entraîne pas la coupure des
fusibles automatiques.
Sécurité électrique. La tension de sortie de l’alimentation est de préférence maintenue basse. Des tensions supérieures à 120 V exigent en
effet toujours des mesures de sécurité supplémentaires lors de l’intégration du module LED dans le luminaire. Dans ce cas, la responsabilité
incombe au fabricant du luminaire d’intégrer les sécurités nécessaires.
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23 | ETAP
UPDATE
Fiches techniques
L’alimentation est donc un composant critique de toute solution à LED. On reconnaît les
alimentations de qualité en demandant les fiches techniques au fabricant et en vérifiant si les
exigences de qualité ci-dessus sont satisfaites. ETAP veille à toujours proposer des alimentations
LED de qualité, parfaitement adaptées à la solution et soigneusement testées dans nos labos.
2.
SOURCES DE COURANT VS SOURCES DE TENSION
Les LED sont des composants à commande de courant. Le courant détermine directement le flux lumineux et doit pour cette raison être réglé
avec précision. Deux méthodes de commande existent :
s
Sources de courant constantes
Elles transforment directement la tension du réseau en courant constant. Cette méthode offre le rendement le plus élevé et est la
plus rentable. L’inconvénient est que les modules à source de courant constante ne peuvent être raccordés qu’en série – d’où une
installation plus contraignante et en cas de puissances supérieures, la tension de sortie nécessaire augmente fortement (>100V).
Exemples :
ƕ
Spot Flare 500mA, DIPP4,…
ƕ
Downlight Flare D4
courant constant
230 V
pilote LED
AC
s
Sources de tension constantes
Ce sont les alimentations qui convertissent la tension du réseau en une tension régulée avec précision. Utilisées avec des LED ou des
modules à LED, ces alimentations doivent toujours être munies d’un limiteur de courant (par exemple une résistance) ou d’un circuit
électronique qui convertit la tension continue en courant constant. Les sources de tension ont comme grand avantage de pouvoir
raccorder facilement différents modules en parallèle.
Exemples :
ƕ
Bande LED à alimentation 24V (limitation par résistances en série)
ƕ
Spot Flare 24V (tension vers convertisseur de courant intégré dans le câble).
ƕ
Tension constante
230 V
AC
Pilote CC LED
Alimentation
électrique
Les codes de luminaires pour sources de courant constantes se terminent par C (de « courant ») ; les codes de luminaires pour sources de
tension constantes se terminent par V (de « voltage »).
24 | ETAP
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Exemple : ce pilote de 75 W (jaune) a une efficacité
relativement stable jusqu’à +- 50 % de charge.
Quand les charges sont inférieures, l’efficacité
baisse plus vite. À 10 % de charge (7,5W), la
puissance absorbée atteint +- 10,5 W (70 %
d’efficacité).
1,00
0,90
0,80
0,70
Efficacité pilote
UPDATE
Également pour les luminaires à gradation
L’alimentation doit non seulement être fiable et efficace, elle doit aussi pouvoir être mise en œuvre de manière flexible dans toute installation
d’éclairage moderne. Dans de nombreux cas, le niveau d’éclairage doit être réglable, par exemple via un système de régulation de la lumière
comme ELS ou un variateur externe. Il est important que l’efficacité et le facteur de puissance demeurent corrects en cas de gradation.
0,60
25W
75W
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Charge pilote en % du courant nominal
Influence de la charge du pilote sur l’efficacité, pour un
pilote à faible puissance (bleu) et haute puissance (jaune)
Dans la pratique, deux techniques de gradation existent : diminuer le niveau de courant ou convertir le courant en impulsions de durée de
commutation marche/arrêt variée (PWM ou Pulse Width Modulation). L’application détermine la meilleure technique à mettre en œuvre.
Nos spécialistes se tiennent à votre disposition pour des conseils concrets.
Tous les systèmes de gradation connus sont en principe également utilisables pour l’éclairage
à LED :
s DALI
s 1-10 V (application moins fréquente dans l’éclairage à LED)
s TouchDim
s DMX (moins appliqué pour l’éclairage, plutôt utilisé dans le monde du théâtre).
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25 | ETAP
Chapitre 4 : Éclairer avec des LED – aspects photométriques
DÉPRÉCIATION ET FACTEUR DE MAINTENANCE
Après un certain temps, le flux lumineux d’une lampe
diminue. C’est ce que nous appelons la dépréciation.
Pour tenir compte de cette perte, les études
d’éclairage utilisent un facteur de maintenance
(un chiffre entre 0 et 1), de sorte que l’éclairement
ne descende pas au fil des années sous un niveau
déterminé.
D’une part, les LED fonctionneront très longtemps
– d’un point de vue électrique – en cas d’utilisation
correcte. D’autre part, il est vrai que le flux lumineux
de la LED diminuera (se dépréciera) pendant
cette longue durée de vie. Tant la régulation de
température que la commande électrique ont une
grande influence sur ce recul. La diminution de
flux lumineux est surtout due à la décoloration
de l’enveloppe de la puce et à la diminution de
l’efficacité de la couche luminescente dans le même
plan.
100
90
80
Flux lumineux relati (%)
1.
70
60
50
40
30
20
10
0
10
0
50
100
Temps (h x 1000)
Dépréciation de flux lumineux dans le temps
Dépréciation pour l’éclairage fluorescent
Dans les études d’éclairage avec des luminaires fluorescents, nous pratiquons souvent aujourd’hui une dépréciation totale (diminution du flux
lumineux) de 15 %, dont +/- 10 % imputable au vieillissement de la lampe. Une dépréciation de 15 % correspond à un facteur de maintenance
de 0,85.
Facteur de maintenance (FM)
Niveaux de pollution poussière
minimum
faible
moyen
élevé
Luminaires ouverts pour éclairage direct (T5 - Ø16 mm ou T8 - Ø26 mm: Ra > 85)
Remplacement de groupe
0,85
0,80
0,75
0,70
Remplacer lampe cassée + remplacement du groupe
0,90
0,85
0,80
0,70
Facteur de correction pour
Luminaires avec plaque de recouvrement poru éclairage direct
Luminaires avec réflecteur peint
MF x 0,95
MF x 0,90
Quelques facteurs de maintenance typiques pour l’éclairage fluorescent
Dépréciation pour l’éclairage à LED
La durée de vie revendiquée aujourd’hui pour les LED concerne une perte de lumière moyenne de 30 %. Cela a un impact sur notre manière
d’utiliser des facteurs de dépréciation pour des LED dans des études d’éclairage.
Normalement, ETAP suit toujours la norme du marché ; le problème étant qu’actuellement, aucune norme du marché n’existe encore pour
les LED. C’est pourquoi nous utilisons maintenant des facteurs de maintenance qui correspondent à une durée de vie de +/- 25 000 heures
(+/- 10 ans dans des conditions d’utilisation normales). Nous possédons en outre un tableau d’ensemble pour travailler avec des durées de vie
adaptées (voir point 2, ‘Études d’éclairage avec des luminaires à LED’).
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2.
ÉTUDES D’ÉCLAIRAGE AVEC DES LUMINAIRES À LED
La réalisation d’études avec des luminaires à LED est très similaire à la réalisation d’études avec d’autres luminaires. La plus grande différence
est la gestion du facteur de maintenance. Nous avons déjà abordé la manière standard de procéder : nous travaillons avec une durée de vie
de 25 000 heures et calculons ensuite quel facteur de maintenance y correspond. Pour les durées de vie divergentes, nous utilisons un tableau
qui traduit le lien entre le type de produit, le type d’alimentation, la durée de vie et le facteur de maintenance. Ce tableau est maintenu par le
groupe de produit Éclairage. Un exemple pour Flare est présenté ci-dessous. Ces tableaux sont actualisés régulièrement, en fonction de l’état
le plus récent de la technologie.
25,000 h
D42/LEDN20S
D42/LEDW20S
D42/LEDN39S
D42/LEDW39S
F (lm)
1290
1120
2490
2150
350mA
P (W)
lm/W
22,4
58
22,4
50
43,4
57
43,4
50
FLARE-1x/LEDN10C (x=0/1/2)
FLARE-1x/LEDN6C (x=0/1/2)
FLARE-1x/LEDN5C (x=0/1/2)
FLARE-1x/LEDW10C (x=0/1/2)
FLARE-1x/LEDW6C (x=0/1/2)
FLARE-1x/LEDW5C (x=0/1/2)
d (%)
89
89
88
87
F (lm)
629
376
287
547
327
250
500mA
P (W)
lm/W
12,6
7,2
5,5
12,2
7,2
5,5
50
52
52
45
45
45
d (%)
78
89
91
78
89
91
Extrait du tableau avec flux lumineux et facteurs de dépréciation pour Flare (statut 2011), y compris pollution 5 %
3.
INTÉGRATION DE SYSTÈMES À ÉCONOMIE D’ÉNERGIE
Gradation et commutation
Comme dit précédemment, les LED sont parfaitement adaptées
pour la commutation et la gradation, et fonctionnent avec les
systèmes connus comme 1-10V, DALI, …
Systèmes de gestion d’éclairage intégrés
Les luminaires à LED sont en principe combinables avec des
systèmes de gestion d’éclairage intégrés comme ELS, MDS,
EMD. Ces systèmes sont toutefois (pour le moment) sensibles
à la température (ELS) et/ou aux rayonnements infrarouges
(MDS et EMD). L’intégration de systèmes de gestion d’éclairage
requiert pour cette raison une conception de produit intégrale,
tenant compte de la gestion thermique dans le luminaire et des
propriétés du capteur. C’est pourquoi l’intégration relève parfois
des règles concernant les ‘luminaires spéciaux’, parfois pas (par
ex. D4+ELS est une configuration standard). La combinaison de
luminaires à LED avec des capteurs montés séparément dans le
plafond, ne pose aucun problème.
Système de gestion locale ou centralisée (comme ELM)
Étant donné que les luminaires à LED sont d’ordinaire disponibles en différentes exécutions (comme DALI, 1-10V, …), les combiner avec des
systèmes courants de gestion locale ou centralisée ne pose généralement aucun problème.
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Chapitre 5 : Questions et réponses
Q : Les infos publiées par les fabricants des LED sont-elles également utilisables dans des publications ETAP ?
R : Non, parce que de nombreux facteurs différents jouent un rôle dans la prestation finale d’un luminaire à LED. En font notamment partie à
la fois les propriétés qui dépendent de la LED comme le comportement en cas de températures plus élevées, et des propriétés spécifiques au
luminaire comme le pilotage et les possibilités de refroidissement. Ainsi, une LED du fabricant A dotée d’une performance publiée très élevée
peut dans la pratique donner moins de flux lumineux qu’une LED d’une efficacité légèrement inférieure du fabricant B, par exemple en raison
d’une résistante thermique interne supérieure et d’une stabilité inférieure à haute température.
Q : Les lampes à LED linéaires sont-elles une bonne solution de substitution pour remplacer les lampes fluorescentes traditionnelles ?
UPDATE
R : À long terme, cette solution a encore beaucoup de potentiel. À court terme, il y a toujours quelques points d’attention : au niveau de la
sécurité électrique, il faut tenir compte du fait que le fabricant n’est plus responsable lorsqu’on utilise des lampes à LED linéaires et lorsqu’on
modifie, par conséquent, la construction. Il existe aussi un certain risque lors du remplacement de la lampe. Au niveau de la performance
photométrique, la puissance maximale et le flux lumineux de la lampe sont en général limités. Souvent, la distribution lumineuse globale du
luminaire changera également, étant donné que la plupart des lampes à LED linéaires n’émettent qu’une lumière hémisphérique inférieure.
Q: Les lumens LED sont-ils supérieurs aux lumens fluorescents ?
R : Non – les deux sont parfaitement similaires. Un fait est toutefois qu’à des niveaux d’éclairage très faibles (par ex. dans l’éclairage de sécurité,
les applications extérieures), l’œil humain est plus sensible aux teintes vertes/bleues – c’est ce que l’on appelle la vision mésopique. Dans ces
conditions, il sera donc plus avantageux de mettre en œuvre des sources rayonnant davantage dans la zone vert bleu, par ex. des LED de
couleur cyan ou des LED blanches à composante bleue élevée (blanc froid, 6 500K).
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Terminologie
Binning
Le tri / la classification de (dans ce cas) LED en groupes présentant des caractéristiques similaires, par ex. dans le domaine des coordonnées
de couleur.
Cold Lumens
Le flux lumineux mesuré à 25°C de température de jonction.
Composant LED
La combinaison de la LED, de l’embase et de l’optique primaire.
Diode
Semi-conducteur qui conduit très bien le courant électrique dans un sens, mais pratiquement pas dans l’autre direction.
Durée de vie utile
La durée de vie économique pertinente pour l’application spécifique. Celle-ci est inférieure à la durée de vie moyenne.
Hot Lumens
Le flux lumineux mesuré à une température de jonction proche de la température d’utilisation pratique (typiquement 85°C).
Jonction
La zone active dans le matériau semi-conducteur où la lumière est générée.
LED
Abréviation de Light Emitting Diode - diode électroluminescente – DEL.
Luminiscence
Processus dans le cadre duquel une particule lumineuse (photon) est générée lorsqu’un atome passe d’un état d’énergie supérieur à inférieur.
Module LED
L’équivalent LED d’une lampe traditionnelle, mais en exécution LED. Selon la terminologie ETAP
cela correspond au niveau 3 (voir chapitre 1).
PCB
Printed Circuit Board : circuit imprimé.
Phosphore éloigné
Technologie pour laquelle le phosphore destiné à générer la lumière blanche n’est pas appliqué directement sur la LED bleue mais dans ou sur
un support (en verre ou en matière synthétique) à une certaine distance de la LED. Le phosphore fonctionne ainsi à une température plus basse,
ce qui permet de réaliser dans certains cas un gain d’efficacité.
Température de jonction
C’est la température interne dans le matériau semi-conducteur.
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Notes
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