Avertissement : La technologie LED évolue sans cesse et rapidement. De sorte que certaines caractéristiques dont nous donnons des informations chiffrées (e.g. puissance, flux lumineux, rendement lumineux, IRC, durée de vie, prix) seront d'ici peu dépassées. Le lecteur en tiendra compte lors de la lecture de l'article.
Pour éviter toute confusion, nous utiliserons la terminologie suivante tout au long du document. (terminologie utilisée notamment par l'IBE (Institut belge de l'éclairage) :
Nous parlerons essentiellement des chips LED (source de lumière) des auxiliaires (alimentations stabilisées) et des Luminaires LED, car ils concernent les éclairages de grande puissance utilisés en industrie. Nous proposons les informations suivantes :
- la technologie de production de lumière à partir d'une source lumineuse de type LED,
- les caractéristiques des sources lumineuses « chip LED »,
- les composants et caractéristiques des luminaires LED.
- des conseils et avertissements en matière de choix et d'installation de luminaires LED
NB : Nous conseillons vivement de consulter pour information complémentaire l'article de fond : Caractéristiques techniques de l'éclairage en industrie du site www.energie.wallonie.be.
1. Production de lumière et chaleur d'une source lumineuse de type LED
LED signifie Light Emitting Diode.
Nous appellerons cette source lumineuse « chip LED ».
Un chip LED est un semi-conducteur (diode) qui émet de la lumière quand du courant électrique (continu) le traverse.
La quantité de lumière générée est à peu près proportionnelle à la quantité de courant électrique qui traverse le chip LED.
Un chip LED comporte
une jonction semi-conductrice (diode),
un substrat (conducteur thermique),
une connexion électrique et
une optique primaire
Le substrat permet la dissipation de chaleur produite par la jonction. L'optique primaire (une petite lentille) permet de protéger la diode, de collecter et de rayonner la lumière générée par la LED selon un schéma défini.
Un chip 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 et du spectre ultra-violet.
La lumière blanche peut être produite de plusieurs manières :
Mélanger des chips LED de couleurs rouge, verte et bleue (RGB) :
Munir un chip LED bleu d'un matériau luminescent (phosphore) qui transforme une partie de la lumière bleue en lumière blanche La composition du matériau luminescent détermine la température de couleur :
Faire passer la lumière d'un chip LED bleu à travers une couche extérieure à base de phosphore (remote phosphor LED) :
Munir un chip LED UV de 3 couches de phosphore qui transforment les UV en lumière bleu, vert et rouge.
La composition des couches de phosphore détermine la température de couleur :
Production de chaleur : 
En fonction de la performance du chip LED.
35 % de l'énergie électrique est convertie en lumière visible rayonnée.
65 % de l'énergie est convertie en chaleur dissipée par le substrat à l'arrière du chip.
À titre de comparaison : les lampes fluorescentes rayonnent seulement 25 % de l'énergie électrique sous forme de lumière visible. Mais ils rayonnent quelques 40 % de l'énergie sous la forme d'infrarouge ou de rayonnement thermique !
2. Caractéristiques des chips LED
Puissances
Il existe 3 types de chips LED en fonction de leur puissance :
- Low Power chip LED (70 mW à 0,5 W)
- Power chip LED (quelques W)
- High Wattage chip LED ( qqs 10zaines de W à qqs 100taines de W)
Ce type de chip LED est constitué d'un ensemble (pavé) de Power chips LED fixés à une base et à un refroidisseur communs. C'est ce troisième type de chips qui est utilisé dans les luminaires LED qui peuvent remplacer en industrie les luminaires à lampes à décharge
Flux lumineux
Le flux lumineux d'un chip LED est la quantité de lumière émise par la diode et transmise à travers l'optique primaire...
Il varie de quelques lm (lumens) à plus de 20.000 lm pour les puissances les plus élevées.
Le flux lumineux d'un chip LED baisse progressivement en fonction d'une température de jonction croissante.
D'où l'intérêt de dissiper efficacement la chaleur produite par la LED ! et de ne pas utiliser des systèmes LED dans des ambiances surchauffées.
NB : on publie actuellement des fiches de caractéristiques donnant des « hot lumens », à savoir le flux lumineux à une température de jonction de 65°C à 85°C.
Température de couleur
La gamme des températures de couleurs des chips LED est semblable à celle des tubes fluorescents : 2700 K- Blanc chaud à 6500 K blanc froid.(K = degré Kelvin).
NB : en fonction du type de chip (voir 1ier chapitre) et de sa qualité de fabrication, il se peut que la température de couleur de la lumière émise soit différente de celle annoncée dans la fiche technique.
NB : il est possible aussi que cette lumière ne soit pas répartie dans l'espace avec une couleur uniforme. Ceci peut être du à une mauvaise qualité de la lentille primaire.
NB : la température de couleur peut évoluer dans le temps en fonction de la qualité du chip LED.
Indice de rendu des couleurs (IRC)
L'indice de rendu des couleurs (IRC) d'une source lumineuse traduit la qualité du rendu des couleurs d'objets éclairés par cette source lumineuse.
Le rendu des couleurs des chips LED varie entre 60 et 98 Il est comparable à celui des lampes fluorescentes.
Bon à savoir?
Un chip LED à température de couleur plus basse (donc blanc chaud) a généralement un rendu des couleurs plus élevé (meilleur) qu'un chip ayant une température de couleur supérieure (blanc froid).
Rendement lumineux
Le rendement lumineux d'un chip LED s'exprime en lm/w (lumen par watt), et est appelé Flux lumineux spécifique. Il est déterminé dans des conditions de référence (25°C de température de jonction Tj ).
Ces conditions sont réalisées en laboratoire mais rarement en réalité.
NB : Dans des conditions d'utilisation réelles, les rendements lumineux seront plus basses. Le rendement lumineux des LEDs est dégradé lorsque la température de jonction dépasse 25°C. Le rendement est aussi dégradé par la mauvaise qualité (transparence) de l'optique.
Le rendement lumineux (comme la durée de vie) d'un chip LED est fortement dépendant de la température de jonction [Tj]
Voici un tableau de comparaison de chute de rendement lumineux de 3 chips LED en fonction de la température de jonction (55°C, 85°C et 100°C) et de chute de rendement de chips LED et de lampes à décharge en fonction de leur temps de fonctionnement :
Les chips LED ont un rendement lumineux maximum à température ambiante basse. Ce qui n'est pas le cas des tubes fluorescents classiques et des lampes à vapeur (qui peuvent même avoir des problèmes d'amorçage à basse température).
L'éclairage LED convient par conséquent particulièrement dans les espaces réfrigérés (froid positif et négatif).
Les chips LED d'une température de couleur de 5 000 à 7 000 K (kelvin) - blanc froid ont des rendements qui atteignent aujourd'hui (2013) dans des conditions de référence plus de 160 lm/W . Les chips LED d'une température de couleur de 2 700 à 4 000K - - blanc chaud ont des rendements légèrement inférieures : jusqu'à 120 lm/W.
NB : Le rendement des chips LED est en forte croissance, la technologie est en pleine évolution !
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 !
Durée de vie
La durée de vie est la période au cours de laquelle le flux lumineux diminue jusqu'à 80 % de sa valeur initiale. Cette durée de vie est d'application à condition que le chip LED soit utilisé dans les limites de température de jonction présupposées (typiquement 80-85°C).
Par défaut on prend pour principe une durée de vie de 50 000 heures.
La durée de vie des LED est fortement influencée par la température interne de jonction
Il est donc impératif d'évacuer la chaleur produite par des radiateurs bien dimensionnés et de ne pas utiliser les luminaires dans des espaces surchauffés.
Selon l'étude du U.S. Department of Energy, l'évolution des LEDs devrait permettre d'atteindre des durées de vie supérieures à 70.000 heures en 2020-2025. De quoi alors surpasser tous les autres types de sources lumineuses !
Comportement au démarrage influence de la fréquence de commutation
Les lampes à décharge (tubes fluorescents, lampes à vapeur de mercure/sodium, ?) ne délivrent pas la totalité du flux lumineux immédiatement après le démarrage. Certaines lampes à décharge (vapeur de mercure/sodium) ne peuvent être réarmées qu'après un temps de pose.
La durée de vie de ces lampes peut décroitre en fonction de la fréquence de commutation (allumage/extinction).
Par cotre, les chips LED délivrent immédiatement le flux lumineux maximal à l'allumage. Ils ne craignent pas de fréquentes commutations, pour autant que le driver (alimentation électrique) soit de qualité..
L'éclairage LED convient par conséquent particulièrement aux applications aux fréquentes commutations, là ou l'éclairage n'est sollicité que pendant de courtes périodes.
Sensibilité au pointes de courant
Les chips LED supportent mal les surintensités électriques qui peuvent être générées au démarrage ou suite à des pics de tension du réseau. Ce problème sera éliminé par des drivers de qualité.
Les chips LEDs peuvent être modulées en puissance
L'intensité de courant peut être modulé (par le driver) . On peut donc moduler le flux lumineux entre 0% et 100 %. Ceci permet donc d'asservir le flux lumineux à la lumière naturelle par une cellule photosensible.
Emprunte écologique très réduite
Il ressort d'études LCA* (Life Cycle Analysis) qui étudient l'impact écologique d'un produit de la production jusqu'au recyclage et à la transformation) que les chips LED, comparées à d'autres sources lumineuses, représente la plus petite empreinte écologique. De surcroît, ils ne contiennent pas de mercure, contrairement aux lampes fluorescentes.
* Assessment of Ultra-Efficient Lamps ; Navigant Consulting Europe ; 5 mai 2009.
Pas de rayonnement IR ou UV
Les chips 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.
Rayonnement résiduel de lumière bleue => impact sur la rétine de l'oeil
Les chips LED bleus peuvent présenter un danger pour les yeux du fait que les rayons lumineux bleus ne sont pas filtrés (arrêtés) par le cristallin et peuvent donc attaquer voire endommager la rétine.
Dans le cas des chips LED bleus avec un filtre (couche) de phosphore, une partie de la lumière bleue peut être émise. Cette lumière bleue n'est pas filtrée (atténuée) par le cristallin des yeux et atteint donc directement la rétine sans atténuation. En fonction de la puissance de cette lumière bleue la rétine peut être endommagée.
Ceci est le cas lorsque la couche de phosphore est de mauvaise qualité (non uniforme) ou est rétrécie par effet de chaleur ou de vieillissement. Dans ces cas une partie de la lumière bleue est émise (à grande puissance) à travers l'optique des chips LED.
3. Composants d'un luminaire LED
Un luminaire LED se compose d''un boitier englobant les bases (contenant les chips LED les connections électriques et les optiques secondaires), les radiateurs fixés à la base, les drivers et les optiques secondaires (diffuseurs, concentrateurs, réflecteurs).
Tous ces éléments contribuent non seulement à l'efficacité énergétique mais aussi à la qualité et à la sécurité des systèmes d'éclairage.
Le boitier
Le boitier doit pouvoir évacuer la chaleurs produite par le driver. Chaleur qui influence fortement son rendement et sa durée de vie. Il doit aussi respecter les normes nationales et européennes de sécurité électriques et mécaniques en vigueur (RGPT, EN12464, marquage ENEC, ?)
Le radiateur
Le radiateur est fondamental pour l'évacuation optimal de la chaleur produite par les jonctions des chips LED. Cette chaleur influence fortement le rendement lumineux et la durée de vie des chips LED.
Le boitier et le radiateur doivent être bien aérés
=> ne pas confiner les luminaires dans des espaces isolés thermiquement.
=> Dépoussiérer les radiateurs et le boitier au besoin si le milieu ambiant est pollué.
La base
La base assure la fixation mécanique des chips, la connexion électrique de ceux-ci au driver, la connexion thermique des chips avec le radiateur, la fixation mécanique de lentilles.
Le driver
Le driver 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 aussi de l'efficacité et de la fiabilité du driver.
Un bon driver LED doit satisfaire aux exigences de qualité suivantes :
Durée de vie : doit être au moins égale à celle des chips LED, qui supportent normalement 50 000 heures de fonctionnement (à 70 % du flux lumineux).
Efficacité : l'un des facteurs de succès des luminaires LED est l'efficacité énergétique. Dès lors, la conversion de la tension réseau en courant doit être la plus efficace possible. Un bon driver LED a un rendement de minimum 85 %.
Facteur de puissance : le facteur de puissance est un indicateur technique du driver 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 (. lambda) est composé de 2 parties : le glissement entre tension et courant (cos phi) 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. Un driver de qualité aura un facteur de puissance > 0,9
Compatibilité électromagnétique (EMC) : le pilote 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.
Forme d'onde du courant : une bonne qualité de courant de sortie permet d'éviter les scintillements ou les effets stroboscopiques.
Les Optiques secondaires
Trois types d'optiques peuvent être ajoutés aux luminaires :
Les lentilles qui permettent de réduire la luminance de crête (réduire l'éblouissement) :
Des réflecteurs combinés avec un diffuseur qui permettent d'obtenir une lumière douce :
Les lentilles, les réflecteurs et les diffuseurs ont des rendements lumineux qui dépendent de la qualité de fabrication et qui peuvent décroitre en fonction du temps et de la chaleur ambiante.
4. Caractéristiques d'un luminaire LED
Rendement lumineux
Le rendement d'un luminaire à LED est le produit du rendement du chip LED, du rendement électrique de l'alimentation (driver) et du rendement lumineux des optiques secondaires (lentilles, réflecteurs, diffuseurs)
En fonction de la qualité de chacun des éléments d'un luminaire nous pouvons obtenir un rendement lumineux bien inférieur à celui du chip LED.
Nous serons donc attentif à la qualité des drivers (pilotes) à la bonne dissipation de chaleur produite par les jonctions LED et à la qualité des optiques.
Tableau de dégradation du rendement lumineux fourni par Laborelec
Notons que le rendement des chips, lampes et luminaires LED est en forte croissance, la technologie est en pleine évolution !
Voici un tableau de croissance de l'efficacité lumineuse des lampes LED et des luminaire LED proposé par la société américaine DOE (Department Of Energy)
Courbe photométrique
La répartition de la lumière d'un luminaire est représentée par l'allure de sa courbe photométrique.
Mesure de l'intensité lumineuse dans les 3 dimensions - Base de tout le dimensionnement d'une installation!
Les lentilles primaires et secondaires, les diffuseurs et les réflecteurs d'un luminaire permettent de répartir la lumière dans l'espace selon les besoins des utilisateurs et de leur activité..
Cette courbe photométrique fera partie des fiches techniques proposées à la proposition de vente des luminaires LED et d'installation de nouveaux luminaires .
Les courbes photométriques sont utilisées dans le logiciel dialux (ou autre) lors de l'audit ou de la pré-étude de projet de remplacement de l'éclairage, ceci afin de garantir l'efficacité énergétique, le confort des utilisateurs et le respect des normes du travail en vigueur (RGPT EN 12.464-1).
Elles sont définies par les optiques secondaires : voir p.10
Trois types de répartition de la lumière peuvent être proposés :
- distribution extensive : donne un éclairement uniforme, permet un espacement plus important des luminaires et accentue les contrastes au niveau du plan de travail,
- distribution intensive : concentre le faisceau lumineux vers le bas. Ce mode d'éclairage est intéressant pour l'éclairage des travées de grande hauteur ou pour le travail sur écran,
- distribution asymétrique : permet d'éclairer, par exemple, des surfaces verticales telles que des tableaux ou des murs.
Indice d'éblouissement (UGR)
Les luminaires LED de fortes puissances et de mauvaise qualité optique peuvent être très éblouissants et donc très inconfortables voir dangereux pour les utilisateurs.
Ceci est particulièrement problématique dans des espaces de test de qualité d'objets réfléchissants (pièces métalliques polies). Vu leur puissance lumineuses ils peuvent même être dangereux pour la vue.
La norme EN 12464-1 introduit le paramètre du taux d'éblouissement unifié UGR (unified glare ratio ) qui caractérise le niveau d'éblouissement ou la luminance apparente d'un ensemble de luminaires par rapport à la luminance de fond perçue dans le champ visuel d'un ou de plusieurs observateurs.
Cette valeur, recommandée par la norme suivant le type de local ou de tâche, est comprise entre 10 (peu d'éblouissement) et 30 (fort éblouissant) et ne doit pas être dépassée.
L'UGR sera calculé par l'auteur du projet et influencera le choix d'un type de luminaire, sa position et son orientation dans le local considéré et pour la tâche considérée.
L'indice d'éblouissement UGR (unified grading ratio-) est fondamental en éclairage LED et doit être impérativement déterminé (par dialux ou autre logiciel photométrique) lors de l'offre et de la réception d'une installation d'éclairage de puissance. Ceci afin de garantir le confort et la sécurité des utilisateurs et le respect des normes en vigueur).
Plus d'info sur les normes consernant l'UGR : voir l'article de fond :
Caractéristiques techniques de l'éclairage en industrie du site www.energie.wallonie.be.
5. Normes de sécurité, de confort et de performance des luminaires LED
Des normes européennes règlementent les qualités électriques et mécaniques des luminaires.
Ces normes sont essentielles aux yeux des sociétés d'inspection mais aussi pour les compagnies d'assurances (en cas d'accident ou d'incidents liés à l'éclairage LED).
Voici un tableau de normes concernant l'éclairage LED (à voir sur www.celma.org )
La récente norme européenne « ENEC » couvre tous les aspects de sécurité et de qualité des systèmes d'éclairage. Elle est exigée par la Région Wallonne lors de la demande de prime pour relighting (prime n°22).
NB : le « relampage » de l'éclairage (par exemple le remplacement des tubes fluorescents par des tubes LED) a pour conséquence de faire perdre le label CE ou ENEC du luminaire original. Voir l'article « FAQ_sigle ENEC-prime relighting LED » dans le site « energie.wallonie.be »
La norme (règlement) belge RGPT : (http://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=10746) et la norme EN 12464-1 « Eclairage des lieux de travail Lieux de travail intérieur » http://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=11814) spécifient les prescriptions pour les systèmes d'éclairage pour la plupart des lieux de travail intérieurs.
La norme spécifie entre autres les paramètres quantifiables d'éclairement (lux):
50 lux : lieux de stockage sans trafic
100-150 lux : lieux de stockage avec trafic, couloirs et circulation
200 lux : Réfectoire
300 à 500 lux BureauxActivités industrielles et métiers :
200 lux : Fabrication et assemblage grossier
300 lux : Fabrication et assemblage moyen, activité dangereuse
500 lux : Fabrication et assemblage fin
750 lux : Fabrication et assemblage de précision
6. En résumé
Dans tous les cas, des composants de qualité (rendements lumineux garantis et prouvés en laboratoire en fonction des températures ambiantes de fonctionnement), des caractéristiques photométriques adéquates (en fonction de l'utilisation), des luminaires qui répondent aux normes de sécurité électriques et mécaniques, des drivers de qualité qui assurent une alimentation électrique correcte et durable, une évacuation efficace de la chaleur sont fondamentaux pour un fonctionnement rentable et efficace des systèmes d'éclairage LED.
En pratique :
Soyez réaliste et ne vous laissez pas emportez par le battage médiatique
Soyez critique et faites vous bien informer (par des spécialistes)
Soyez innovant : testez les LEDS * (avant de les appliquer à grande échelle)
* : demandez toujours les valeurs de mesures testées par des labos neutres et de préférence accrédités !
ccih.be