Éclairage LED : gestion thermique et performance

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Comme tout semi-conducteur, la LED produit de la chaleur par l’arrière, il faut par conséquent assurer une bonne dissipation thermique pour obtenir le flux optimal et conserver une longue durée de vie. C’est donc le dissipateur thermique dédié ou, mieux, intégré au luminaire qui l’entoure, qui fait toute la différence.

Pour comprendre la complexité de la mise en oeuvre des diodes électroluminescentes dans un appareil d’éclairage, il faut revenir au principe de fonctionnement de cette puce. Une diode électroluminescente, ou LED (light emitting diode), est un composant électronique capable d’émettre de la lumière lorsqu’il est parcouru par un courant électrique. Une LED ne laisse passer le courant électrique que dans un seul sens et produit un rayonnement monochromatique incohérent à partir d’une transformation d’énergie. Une LED fonctionne sur le principe d’une jonction PN qui est en fait un semiconducteur ayant deux régions de conductivité différente : une de type P constituée essentiellement de charges positives (les trous) et une autre de type N constituée essentiellement de charges négatives (les électrons), ainsi qu’une région de recombinaison radiative. Sous l’effet d’une différence de potentiel, les électrons se recombinent avec les trous dans la région de recombinaison radiative. Cela engendre un faisceau lumineux, dont la nature dépend des caractéristiques des matériaux constituant la jonction.

Une lampe à filament nécessite d’être assez chaude pour fonctionner, ce qui n’est pas le cas d’une LED qui, au contraire, fonctionne mieux à basse température. Une LED possède un spectre compris principalement dans le visible, donc la lumière émise est quasiment dépourvue d’infrarouges et d’ultraviolets, ce qui évite de chauffer ce qu’elle éclaire. En revanche, les pertes, d’ordre thermique, chauffent la LED elle-même, ce qui a une incidence sur sa durée de vie (réduction), le flux lumineux (qui décroît) et la tension aux bornes. C’est donc le contrôle thermique qui pose le problème le plus critique rencontré par les diodes dans leur intégration à des systèmes d’éclairage.

De l’émission lumineuse à l’éclairage

A La Roche-sur-Yon, la société Heppner a éclairé ses bâtiments logistiques et industriels en optant pour un éclairage 100 % LED. Codéveloppée en partenariat avec Briand Energies et Néolux, la solution a consisté à développer un luminaire linéaire utilisant des LED de faible puissance disposées sur une base aluminium : le transfert de chaleur s’effectue facilement et directement sur les poutres métalliques.
A La Roche-sur-Yon, la société Heppner a éclairé ses bâtiments logistiques et industriels en optant pour un éclairage 100 % LED. Codéveloppée en partenariat avec Briand Energies et Néolux, la solution a consisté à développer un luminaire linéaire utilisant des LED de faible puissance disposées sur une base aluminium : le transfert de chaleur s’effectue facilement et directement sur les poutres métalliques.
© Cédric Chassé

En 1962, l’Américain Nick Holonyak Jr. (Compagnie General Electric) est le premier à créer une diode à spectre visible, mais il faudra attendre 1992 pour que le Japonais Shuji Nakamura mette au point une LED bleue à base de nitrure de gallium (GaN), un matériau semi-conducteur beaucoup plus efficace que ses prédécesseurs ; il réalise ensuite une LED blanche qui va révolutionner le monde de l’éclairage, en particulier avec le développement des LED de forte puissance (> 1 W). En effet, à compter de cette date, il est possible de créer une lumière blanche : sur la base d’un mélange de rouge, vert et de bleu ou sur la base de bleu et d’ajout de phosphore jaune.

Du fait de la disponibilité d’une palette quasi complète de couleurs, les LED deviennent rapidement des éléments incontournables des applications colorées en balisage, ou illuminations. Cependant, même 10 ans après cette découverte essentielle, les résultats ne sont pas au rendez-vous et les déconvenues sont fréquentes, tant du côté des fabricants de luminaires que des maîtres d’ouvrage. Pour James Hooker, Strategy Business Unit, Havells Sylvania, « jusqu’en 2010, la gestion thermique posait un réel problème de performances car plus la LED dégageait de chaleur et plus courte était la durée de vie et plus les couleurs, en particulier les blancs, se modifiaient au fil du temps ».

Maîtriser la couleur de la lumière blanche
En effet, il a fallu utiliser des phosphores pour convertir la lumière bleue des LED afin d’obtenir des blancs chauds (température de couleur), mais on s’est aperçu qu’un halo verdâtre apparaissait au bout de quelques milliers d’heures de fonctionnement, probablement sous l’effet du fort dégagement de chaleur ou de sa mauvaise dissipation.

L’emploi de différents phosphores (ou luminophores en français) permet d’améliorer la qualité de la lumière blanche.
L’emploi de différents phosphores (ou luminophores en français) permet d’améliorer la qualité de la lumière blanche.
© Intematix

La température de couleur s’exprime en kelvin (0 K = -273,15 °C) et caractérise la répartition énergétique du rayonnement au sein des différentes longueurs d’onde constituant le spectre d’émission de la source lumineuse. La température de couleur fait appel à la notion de corps noir. À 5 500 K, un corps noir émet à peu près la même quantité d’énergie dans toutes les longueurs d’onde. C’est à cette température que les couleurs nous semblent naturelles. En dessous de 5 500 K, la lumière devient de plus en plus orangée (type lampe incandescente classique) et est perçue comme chaude. Au-dessus de 5 500 K, la lumière devient de plus en plus bleuâtre, et paraît froide.

Il existe deux techniques pour obtenir des LED blanches : la première consiste à mélanger les trois couleurs fondamentales issues de trois diodes, rouge, verte et bleue, pour restituer une répartition spectrale de la lumière ; la seconde convertit en lumière blanche la radiation bleue émise par une diode avec des phosphores. Au sein d’un même lot de diodes (plusieurs centaines), il était difficile d’obtenir un blanc homogène et les industriels ont dû « trier » (binning) les LED afin de fournir une lumière blanche uniforme. C’est l’amélioration du dépôt de phosphore par la maîtrise de l’encapsulation de la puce des LED blanches qui a permis d’obtenir des températures de couleurs homogènes. Le fabricant Intematix présentait notamment à Light + Building 2014, les nouveaux phosphores mis en oeuvre dans les LED dédiées à l’éclairage.

James Hooker rappelle que le dégagement de chaleur a aussi une incidence sur l’efficacité lumineuse de la LED : « il y a 5 ans, sur une puissance consommée de 10 W, 1 W procurait de la lumière et 9 W de la chaleur, aujourd’hui, ce serait plutôt 3 W de lumière et 7 W de chaleur ». C’est là qu’intervient l’expertise des fabricants de luminaires qui ont dû optimiser les systèmes de refroidissement : moins il y a d’énergie consommée en chaleur et plus l’efficacité lumineuse est élevée. Et d’expliquer qu’une des solutions consiste aussi aujourd’hui à utiliser des LED de faibles puissances, donc qui émettent moins de chaleur ; la surface disponible entre les LED étant plus grande, la dissipation thermique est plus facile.j3e 23.1

Une efficacité lumineuse en progression tous les 6 mois

FRAC Orléans turbulences. Les panneaux facettés  qui habillent le bâtiment constituent une peau  en aluminium, verre et LED qui diffuse des flux  d’informations en perpétuel changement. Ainsi, la  surface du bâtiment se nourrit de ces images-lumière  réalisées par Electronic Shadow. Architecte : Jakob + MacFarlane - Conception  lumière : Naziha Mestaoui, Yacine Aït Kaci  Electronic Shadow.
FRAC Orléans turbulences. Les panneaux facettés qui habillent le bâtiment constituent une peau en aluminium, verre et LED qui diffuse des flux d’informations en perpétuel changement. Ainsi, la surface du bâtiment se nourrit de ces images-lumière réalisées par Electronic Shadow.
Architecte : Jakob + MacFarlane – Conception lumière : Naziha Mestaoui, Yacine Aït Kaci Electronic Shadow.

Il est difficile aujourd’hui de donner des valeurs relatives à l’efficacité lumineuse (rapport du flux lumineux émis pour 1 W, exprimée en lumens par watt, lm/W) compte tenu de la rapidité des progrès réalisés en la matière. En fait, l’innovation dans le domaine est telle que ce qui est vrai aujourd’hui est faux demain. En effet, la précipitation de certains à annoncer de nouvelles améliorations – relatives à 1 LED – et les performances réelles des produits commercialisés (lampes composées de plusieurs LED) ont pendant longtemps ajouté à la confusion. Aujourd’hui, des efficacités lumineuses de 120 lm/W sont devenues courantes et souvent dépassées par les solutions mises sur le marché.

Chez Osram, Steve Denni, Business Development, indique que « l’amélioration de l’efficacité lumineuse est étroitement liée à l’utilisation de nouveaux matériaux ainsi qu’à la mise au point et à la maîtrise de nouveaux process qui permettent de mieux conduire la chaleur sur le PCB (printed circuit board : circuit imprimé). On agit également sur les interfaces thermiques telles que les colles, les graisses et les pâtes qui comblent les trous entre la LED et le boîtier ».

Les LED sont conçues pour fonctionner à une température ambiante de 25°. Si la lampe est enfermée, sa température va augmenter. Si la température augmente, la durée de vie diminue et le flux lumineux également. Seule une bonne gestion thermique permet de conserver les performances initiales de la lampe LED.
Les LED sont conçues pour fonctionner à une température ambiante de 25°. Si la lampe est enfermée, sa température va augmenter. Si la température augmente, la durée de vie diminue et le flux lumineux également. Seule une bonne gestion thermique permet de conserver les performances initiales de la lampe LED.

Patricia El Baâmrani, responsable du service supports projets et solutions, Thorn, confirme : « aujourd’hui la rélementation nous autorise à utiliser des méthacrylates, ce qui a permis de concevoir des luminaires sans avoir recours à des membranes métalliques vibrantes pour le refroidissement et d’offrir des appareils plus compacts ». Elle remarque cependant « qu’il est préférable de considérer le flux lumineux global du système et la puissance car une efficacité lumineuse élevée ne veut pas nécessairement dire une bonne dissipation thermique. Celleci impacte aussi la durée de vie et l’indice de rendu des couleurs. Il faut également tenir compte du facteur de maintenance ». Il faut donc anticiper lors du projet d’éclairage car, compte tenu de la longue durée de vie des sources LED (en moyenne 50 000 heures, soit environ 12 ans), il ne sera pas forcément indispensable de changer les luminaires ; or, les performances initiales des LED ne seront plus assurées. En d’autres termes, si les sources LED sont intégrées à l’appareil et que l’exploitant veut conserver les luminaires existants après 50 000 heures de fonctionnement, il faut prévoir, dès le projet, un facteur de maintenance plus élevé ; la moyenne étant aujourd’hui de 0,6, valeur insuffisante pour une durée de vie au-delà de 50 000 heures.

Comment faire des choix « éclairés » ?

Le ruban PrevaLED d’Osram comprend une dizaine de LED par section : leur faible puissance et leur efficacité lumineuse élevée (140 lm/W) font qu’elles dégagent moins de chaleur qui est évacuée plus facilement grâce à une plus grande surface de dissipation.
Le ruban PrevaLED d’Osram comprend une dizaine de LED par section : leur faible puissance et leur efficacité lumineuse élevée (140 lm/W) font qu’elles dégagent moins de chaleur qui est évacuée plus facilement grâce à une plus grande surface de dissipation.
© Osram

Les avertissements sur les LED se multiplient : au fur et à mesure que la technologie avance et apporte des améliorations, les informations mais aussi les mises en garde se succèdent. Comment vérifier que les matériels mis sur le marché, qu’il s’agisse des lampes LED ou des luminaires, présentent des performances efficientes et fiables dans la durée ?

Aujourd’hui, les règlements de la Commission européenne, la grille de maturité des LED (disponible sur le site du Syndicat de l’éclairage), la future marque ENEC (European Electrical Certification) révisée, ainsi que les sites des fabricants sont autant d’outils disponibles pour pouvoir faire la part des choses.

  • Le règlement européen n° 244/2009 du 18 mars 2009 concerne les lampes à usage domestique à culots classiques à flux non dirigé (c’est-à-dire sans réflecteur, mais certaines sont encore utilisées dans le tertiaire, en particulier dans les circulations).
  • Le règlement européen n° 874/2012 du 12 juillet 2012 concerne l’étiquetage énergétique des lampes électriques et des luminaires.
  • Le règlement n° 1194/2012 du 12 décembre 2012 porte application de la directive 2009/125/CE en ce qui concerne les exigences relatives à l’éco-conception des lampes dirigées, des lampes LED et des équipements correspondants. Les produits électriques d’éclairage visés devront se conformer aux exigences d’éco-conception définies et portant sur les aspects suivants : efficacité énergétique, fonctionnalité, information sur les produits. L’application de chacune de ces exigences se fera en 3 étapes :
    – étape 1 : 1er septembre 2013
    – étape 2 : 1er septembre 2014
    – étape 3 : 1er septembre 2016.
  • Communication de la Commission (JOUE du 24 janvier 2014) dans le cadre de la mise en oeuvre des règlements n° 244/2009 n° 874/2012, n° 1194/2012 : comme pour tout règlement, la Commission européenne indique la liste des référentiels techniques, c’est-à-dire des normes, qui peuvent être pris en référence pour vérifier la conformité aux exigences énoncées dans les règlements. Le respect de ces normes n’est donc pas obligatoire stricto sensu, mais il faut savoir que ce sont ces normes qui sont utilisées par les autorités de contrôle pour vérifier la conformité. Pour les produits à LED, il s’agit notamment de : EN 62612, EN 62560, EN 61000, prEN13032- 4, EN/CIE62471, IEC62717.
  • La grille de maturité des LED est téléchargeable sur le site du Syndicat de l’éclairage : www.syndicat-eclairage.com. La grille de maturité actuellement disponible date d’octobre 2013, une nouvelle version mise à jour devrait être publiée en mai 2014.
  • Depuis le 1er janvier 1993, la marque européenne de conformité ENEC (European Electrical Certification) créée par le CENELEC permet d’identifier les luminaires qui ont été testés et approuvés par un organisme de certification. Les luminaires et composants qui portent la marque ENEC ont été fabriqués selon une procédure d’assurance qualité, certifiée et basée au minimum sur la norme EN ISO 9002. Elle est facultative, mais elle garantit au consommateur européen que la qualité du produit, et en particulier sa conformité aux normes, est régulièrement contrôlée par un laboratoire indépendant des fabricants, et que sa fabrication fait l’objet d’une procédure d’assurance qualité. La marque ENEC+ devrait prendre en compte les performances des produits LED, ce qui permettra aux bureaux d’étude et maîtres d’ouvrage d’avoir des garanties objectivement vérifiées quant à la sincérité et la fiabilité des performances annoncées.

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AVIS D’EXPERT : 

« Des performances améliorées mais la vigilance s’impose »
BRUNO LAFITTE, ingénieur ADEME, Éclairage et environnement électromagnétique

L’ADEME accompagne les travaux de recherche et de développement menés sur les LED depuis le début des années 2000. L’Agence s’attache, à travers sa participation à des projets de recherche français et internationaux, à favoriser le développement de produits à LED performants et de référentiels permettant d’assurer la qualité des produits mis sur le marché. Partie prenante du programme « 4 E » mené par l’Agence internationale de l’énergie (AIE), l’ADEME appuie la mise en place d’une plate-forme de discussion internationale pour définir des critères de qualité et d’efficacité des LED, ainsi qu’un protocole de mesures.

Dans le cadre des programmes PACTE de l’ADEME, le projet PACTE LED, achevé en septembre 2012, a été réalisé par un consortium de membres du Cluster Lumière composé d’Ingélux, de Philips, de l’ENTPE, du CSTB, du CEA-LETI, du LNE et du groupe Accor. L’objectif était de comparer des lampes à LED à des lampes halogènes TBT 20 W et 35 W possédant une qualité d’éclairage identique et permettant de réduire la consommation électrique d’un facteur 4. En phase de test, plus de 9 300 de ces lampes ont été installées et évaluées au sein d’hôtels, restaurants, cafés et magasins. Les résultats des tests ont été positifs : 89,4 % des utilisateurs ont trouvé la qualité de la lumière offerte par les LED équivalente à celle des lampes halogènes, voire meilleure. La puissance nominale des lampes a aussi été divisée par 5.

Aujourd’hui, l’ADEME a lancé une étude auprès de 12 fabricants afin de tester des tubes LED. Il est aussi tenu compte de l’impact environnemental global des sources lors de ces tests, et en particulier des matériaux mis en oeuvre, comme par exemple pour le refroidissement des LED. Là encore, des progrès considérables ont été réalisés en particulier en utilisant des matériaux tels que la céramique ou PMMA. ADEME : www2.ademe.fr

« Des actions menées au niveau international et européen »
GEORGES ZISSIS, responsable du Groupe Lumière & Matière, directeur de recherche SH2D

On ne peut nier les progrès phénoménaux intervenus récemment sur les qualités des LED, notamment sur la gestion thermique des lampes et des luminaires. Nous disposons aujourd’hui de matériaux qui permettent d’évacuer la chaleur plus facilement, comme la céramique ou les plastiques qui ont l’avantage d’avoir un faible impact environnemental. Il reste cependant un doute sur la fiabilité des caractéristiques annoncées par certains fabricants, et plusieurs organismes s’emploient aujourd’hui à vérifier ces données, à effectuer des tests, voire à définir des critères de qualité.

L’Agence internationale de l’énergie, dans le cadre du programme 4 E (Efficient Electrical End-Use Equipment), a créé en 2009 l’annexe SSL, qui s’engage à fournir à ses dix pays membres des conseils pour mettre en oeuvre des programmes d’assurance qualité pour l’éclairage LED. Le programme s’appuie sur 3 axes appelés « tâches » :

  • Tâche 1 : établir des critères de performance pour l’assurance de la qualité dans les produits LED.
  • Tâche 2 : déterminer la fiabilité des procédures de tests sur les produits LED au moyen de campagnes de tests réalisées par des laboratoires internationaux et, le cas échéant, proposer des améliorations pour tester des méthodologies.
  • Tâche 3 : recommander des cadres d’accréditation pour les laboratoires de tests.

Par ailleurs, un consortium européen réunissant une douzaine de partenaires, Premium Light, a été créé afin d’aider aussi bien les consommateurs finaux que les professionnels à choisir des produits d’éclairage LED de qualité (également lampes fluocompactes). Une de ses missions consiste à réaliser des tests pour vérifier que les caractéristiques annoncées sont effectivement celles mesurées (résultats publiés sur le site : www.premiumlight.eu) et de proposer des conseils et des informations sur l’éclairage à LED.

 

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