Lampes et luminaires LED
Terminologie
Puce (ou chip) LED
La puce LED est le composant semi-conducteur intégré dans une capsule appropriée permettant une connexion électrique ou un assemblage simplifié. Les puces LED peuvent être combinées entre elles sur un circuit imprimé.
Lampe LED
La lampe LED est un système complet conçu de manière à permettre le remplacement aisé des technologies traditionnelles moins efficaces (retrofit). Ces lampes reprennent pour cela les formes et les culots normalisés des lampes traditionnelles.
Module LED
Le module LED est constitué d’une ou plusieurs puces LED montées avec d’éventuels composants optiques, électriques ou thermiques (généralement externes).
Luminaire LED
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Le luminaire LED est un système complet composé de puces LED, de lampe(s) à LEDs ou encore de module(s) LED, comprenant l’électronique, l’enveloppe, le câblage, etc. Il peut éventuellement être conçu pour recevoir des modules remplaçables.
Conception d’une lampe ou d’un luminaire LED
La plupart des constructeurs de lampes ou de luminaires sérieux ne font que concevoir les lampes ou les luminaires en se fournissant en unités LED chez les électroniciens. Afin d’assurer une homogénéité dans l’application, le choix des LEDs utilisés se fait suite à une sélection (appelée binning) en fonction de critères spécifiques de couleur, flux lumineux et tension.
Pour répondre aux attentes des marchés, les objectifs des constructeurs sont principalement :
- de fournir un éventail de lampes et de luminaires avec un large panel de photométries différentes ;
- d’obtenir une esthétique attrayante ;
- d’optimiser les performances énergétiques (lm/W) ;
- d’allonger la durée de vie (heures de fonctionnement);
- …
Des études sur la thermique sont impératives de manière à bien « drainer » la chaleur en dehors de la lampe ou du luminaire. Ces études influencent bien entendu la conception de la lampe ou du luminaire.
Caractéristiques générales
Durée de vie des lampes et luminaires LED
Même si aujourd’hui une source LED (chip) seule peut atteindre une durée de vie de 50 000 h, cet objectif n’est pas encore atteint pour les applications intérieures (lampes et luminaires). Selon une étude du U.S. Department of Energy (Energy Savings Potential of Solid State Lighting in General Illumination Applications. 2012), on peut raisonnablement prévoir l’évolution suivante dans le futur :
Évolution prévue de la durée de vie des applications LED.
Efficacité lumineuse des lampes et luminaires LED
L’efficacité lumineuse des lampes et luminaires à LEDs est bien différente de l’efficacité lumineuse annoncée pour les puces LED.
En effet, cette dernière est évaluée en test éclair et pour une température de jonction de 25°C (soit une température très basse par rapport à la température à laquelle la jonction est soumise en conditions d’utilisation réelle).
En réalité, l’efficacité lumineuse d’un luminaire LED est d’environ 20 % à 30 % plus faible que la valeur annoncée pour la chip LED.
Voici deux exemples :
Grâce à ces exemples, on se rend compte que l’efficacité lumineuse réelle des lampes et luminaires à LEDs est pour le moment équivalente à celle des lampes fluorescente :
Selon l’étude du U.S. Department of Energy, l’évolution des LEDs devrait permettre d’atteindre 200 lm/W vers 2020-2025. De quoi alors surpasser tous les autres types de sources lumineuses !
Évolution prévue de l’efficacité lumineuse des applications LED.
Rendu des couleurs et température de couleurs
Avec les lampes et luminaires à LEDs, on peut obtenir un indice de rendu de couleur entre 60 et 98. De plus, il est possible, avec certains types de LED, de moduler la température de couleur de manière continue.
Aspect thermique
Malgré que le rayonnement lumineux de la LED ne génère pas d’infrarouge (et donc pas de chaleur dans le sens du flux lumineux), la dissipation de la chaleur de la jonction est un des problèmes majeurs des lampes et des luminaires à LEDs. En effet, entre 50 % et 70 % de la consommation d’une LED est transformée directement en chaleur qui doit être absolument évacuée sous peine de réduire l’efficacité lumineuse et la durée de vie.
Comparatif thermique entre une LED et une lampe à incandescence.
Des études de dissipation thermique, pour chaque modèle sont donc nécessaires pour pouvoir concevoir une lampe ou un luminaire à LEDs avec son dissipateur de chaleur intégré.
Cas des lampes
La complexité de l’évacuation de la chaleur générée par les unités LED composant la lampe s’accentue vu la nécessité d’éviter le « drainage » de la chaleur vers l’arrière de la lampe. En effet, le risque est d’accumuler la chaleur de jonction au niveau de l’alimentation intégrée dans le culot. On dit que la lampe LED « claque » non pas par une surchauffe des unités LED mais plutôt de l’alimentation. D’où la nécessité d’évacuer la chaleur par l’avant de la lampe.
Exemple d’étude thermique d’une lampe LED.
Cas des luminaires
Dans le cas des luminaires, le problème de la surchauffe de l’alimentation peut être éliminé vu la possibilité de la déporter hors du luminaire. Il reste aux constructeurs à bien concevoir le dissipateur en fonction d’un luminaire prévu pour être monté en saillie ou encastré.
Étude thermique (source ETAP).
Aspect optique
De par sa taille réduite, l’association de puces LED, de lentille, de diffuseurs et de réflecteurs permet d’obtenir à peu près toutes les distributions lumineuses possibles.
Cependant, à cause de cette petite taille combinée à une puissance lumineuse en constante augmentation, la luminance de la source devient très importante et peut atteindre des valeurs de 10 à 100 millions de Cd/m². Les fabricants prévoient donc des systèmes optiques comme les lentilles, les réflecteurs ou/et des diffuseurs pour éviter l’exposition directe du regard et le risque d’éblouissement.
| Type de lampe | Luminance (Cd/m²) |
|---|---|
| Fluo linéaire – T8 | 14 000 |
| Fluo linéaire – T5 | 15 000 – 33 000 |
| Fluo compact | 50 000 |
| LED nue | 100 000 000 |
| Soleil | 1 000 000 00 |
| Suivant l’application, on peut obtenir les résultats suivants :
Des lentilles seules, par exemple, permettent de réduire la luminance de crête :
Des réflecteurs combinés avec un diffuseur permettent d’obtenir une lumière douce :
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