Les enseignes avec lumières en LED

Les avancées technologiques des semi-conducteurs ont permis de faire progresser les performances des LED. Jean-Michel Miquel, responsable de la recherche et du développement sur la technologie des luminaires chez Philips Eclairage®, signale que, depuis quatre ans, celles-ci ont vu un doublement de leur efficacité lumineuse tous les deux ans. L'obtention de flux lumineux élevé par émetteur dans les couleurs primaires et en lumière blanche permet maintenant de réaliser la mise en lumière d'éléments architecturaux, la signalisation et l'éclairage fonctionnel des lieux publics.

De nouveaux systèmes d'éclairage vont donc pouvoir être réalisés et des opportunités nouvelles apparaissent en particulier en terme d'application d'éclairage, de maintenance et d'impact sur l'environnement.

Les LED de haute puissance permettent de concevoir des luminaires compacts aux performances élevées elles présentent des flux 20 à 30 fois plus élevés que les LED traditionnelles utilisées en signalisation pour des surfaces émettrices de 1 mm2, des flux lumineux proches de 50 lumens sont atteints pour une puissance électrique de 1 W. Il faut ajouter à ces caractéristiques, comme autres avantages des LED de forte puissance, l'absence d'émission R et UV et une efficacité lumineuse maintenant proche de celle des lampes halogènes.

Elles sont maintenant équipées de systèmes optiques internes qui fournissent une grande variété de distribution lumineuse (du type lambertienne, "batwing" ou "side emitting") un choix d'optiques additionnel judicieux pour les applications recherchées permet d'optimiser le rendement des systèmes à base de LED. Ces systèmes optiques sont formés par injection sous pression de polymères plastiques permettant de réaliser avec précision des collimateurs ou des concentrateurs de lumière d'une grande efficacité grâce à un rendement optique très élevé (90 %) et un mélange homogène des couleurs primaires. Ces techniques d'injection sous pression sont aussi utilisées pour la fabrication d'optiques secondaires pour la conception de faisceaux lumineux homogènes et de dimensions variées.

L'efficacité de ces systèmes permet d'éliminer la lumière parasite et d'augmenter les facteurs d'utilisation (ce gain se caractérise par un doublement du facteur d'utilisation dans certaines applications d'éclairage public, voire par une multiplication par 3 ou par 4 du rendement de faisceau de certaines distributions lumineuses du type projecteur). Les dispositifs ainsi constitués se révèlent plus compacts, plus légers et d'une meilleure fiabilité que les systèmes conventionnels d'éclairage. Fiabilité qui est obtenue grâce à une plus faible température de fonctionnement des composants et une plus grande stabilité mécanique liée à l'absence de pièces mécaniques mobiles. Si l'on compare avec les lampes à décharge.

L'emploi des LED, dont la durée de vie est de trois à cinq fois supérieure à celle des sources traditionnelles, est un avantage déterminant en terme de réduction des coûts de maintenance. Avec des LED classiques dites T5 ou "haute brillance", la durée de vie annoncée est proche de 100 000 heures avec une dépréciation du flux lumineux de 50 %. Les LED haute puissance présentent une conservation de 70 à 80 % de leur flux lumineux initial après 50 000 heures de fonctionnement.

La contribution des LED à l'éclairage dynamique n'est pas un des moindres de leurs avantages les LED à couleurs saturées monochromatiques permettent de réaliser un grand nombre de palettes de couleurs, et les LED blanches une variété d'ambiances lumineuses obtenues par un jeu approprié de températures de couleur. Il faut y ajouter la qualité dynamique que leur assure l'allumage instantané, et la possibilité de gradation de O à 100 % du flux lumineux de ces sources de lumière suivant des caractéristiques colorimétriques constantes.

L'absence de substances toxiques comme le mercure constitue pour les LED un gain environnemental par rapport aux lampes à décharge en effet, la mise en oeuvre des technologies des semi-conducteurs et des procédés de fabrication de la microélectronique se révèle moins polluante.

A terme, les LED de haute efficacité, équipées de systèmes optiques performants, contribuent, par les économies d'énergie qu'elles réalisent, à un meilleur développement durable pour des applications d'éclairage bien ciblées.

LED blanches : encore des progrès à réaliser

Si les LED de couleurs sont présentes sur le marché depuis quelques années, les LED blanches sont en évolution constante, pour Steve Denni, chef de produits lampes et appareils chez Osram : il y a deux ans, des différences de températures de couleur de 3 000 K à plus de 10 000 K ont été mesurées sur des lots considérés comme identiques, ce qui rendait celles-ci inutilisables pour l'éclairage. Actuellement, un tri est nécessaire pour obtenir ces LED dans une température de couleur donnée, et les constructeurs travaillent à améliorer et à automatiser le contrôle de la colorimétrie des diodes. Régis Calmes, de LumiLEDs, mentionne que ce tri de blanc réalisé par les constructeurs, ou 'binning", a fait de grands progrès depuis trois ans.

La gestion thermique est le problème le plus critique rencontré par les diodes dans leur intégration à des systèmes d'éclairage. Si, comme il a été mentionné, la LED est une source lumière froide comparativement aux lampes à décharge, ce composant électronique ne fonctionne pas dans de bonnes condition sous des températures ambiantes trop élevées, un contrôle de température de fonctionnement est nécessaire pour optimiser les caractéristiques nominales (flux lumineux, durée de vie… D'ailleurs, la durée de vie d'une LED ne peut pas être exprimée sans faire une corrélation avec sa température de fonctionnement notamment la température relevée sur le circuit électronique sur lequel la LED est montée (cette donnée est incluse dans le projet de normalisation relatif à durée de vie des LED).

Il ne faut pas considérer la LED comme une source de substitution des lampes existantes, mais l'utiliser grâce à ses qualités propices dans de nouvelles solutions d'éclairage plus innovantes. A la question posée dans la salle par Pierre Bideau qui s'étonne que, dans les catalogues, le flux lumineux des diodes ne soit pas renseigné. Ste Denni répond que beaucoup de facteurs ont une incidence sur le fIux lumineux de ces lampes dont la valeur est très variable suivant les conditions d'utilisation ; les constructeurs travaillent pour définir cette caractéristique dans des conditions précises avec des méthodes d'intégration.

Où en est-on de l'amélioration des flux lumineux, de l'efficacité lumineuse et de la durée de vie des LED blanches ? Jean-Michel MiqL considère que pour les lampes à décharge du type sodium basse pression et iodures métalliques, la limite de l'efficacité lumineuse est de 120 à 130 lm.W avec une diminution de la taille des brûles et une amélioration de leur durée de vie qui est à attendre.

Ste Denni signale que le taux de mortalité des LED est très faible avec l'éclairage avec LED. Il est plus important de considérer le maintient du flux lumineux sur des temps de 50 000 à 100 000 heures pour en optimiser la maintenance. Il faudra assurer le remplacement du systèmes optiques et des composants tels que les systèmes refroidissement. On constate, depuis 1998, une très forte augmentation de l'efficacité lumineuse des LED, des valeurs de 50 lm.Wsont attendues très prochainement.

Les LED dites à "haute brillance"

de faible puissance électrique et que l'on utilise en signalisation

Les LED dites à "haute puissance"

comprise entre 1 et 5 W pour l'éclairage et elles présentent une efficacité lumineuse comprise entre 3 et 120 lm.W1 par émetteur pour ces dernières, leur durée de vie est plus limitée et ne leur permet pas d'être utilisées pour les mêmes applications.

Le flux lumineux de la diode va dépendre de la capacité de la diode accepter une puissance électrique suffisante en effet, l'architecture d'une diode est déterminante pour l'optimisation de son flux, en particulier l'efficacité de l'émetteur. Le rendement du système optique qui enveloppe la diode (le réflecteur interne et la lentille qui vient encapsuler semi-conducteur) et enfin le contrôle de la dissipation thermique qui .permet d'augmenter la puissance électrique et par là même le flux lumineux de la diode.

Dans les trois couleurs primaires et la couleur ambre, en quatre ans, l'augmentation de l'efficacité lumineuse des diodes a été considérable, et ceci malgré des disparités entre les différentes couleurs.

Il existe deux techniques principales permettant de réaliser des diodes lumière blanche :

  • la première est obtenue par le mélange de trois couleurs fondamentales produites par trois diodes, rouge, verte et bleue, pour restituer une répartitions spectrale à la lumière.
  • la seconde consiste à convertir en lumière blanche la radiation bleue émise par une diode avec des phosphores.

Ici aussi, l'évolution de l'efficacité lumineuse des diodes blanches est significative. Ces diodes sont maintenant disponibles pour des températures de couleur de 3 200 K avec une efficacité lumineuse comparable et un indice de rendu des couleurs proche de 90.

Si on augmente la température de la jonction, on observe un décalage du spectre d'émission et une diminution de 10 % du flux lumineux par augmentation de 10 C au-delà de la température de 25 C. C'est la raison pour laquelle il est nécessaire de concevoir des systèmes de diodes avec des dissipateurs thermiques pour en améliorer l'efficacité.

De grandes disparités sont constatées entre différents lots de fabrication, en terme de flux lumineux, efficacité et température de couleur; un tri peut être réalisé entre différentes températures de couleur de manière à les regrouper suivant des gammes présentant des dispersions plus réduites pour en améliorer la qualité colorimétrique.

On mesure ainsi toute la difficulté à maîtriser la conception de luminaires à base de LED en raison du très grand nombre de paramètres électriques, thermiques, mécaniques, optiques et colorimétriques à maîtriser.

Systèmes d'éclairage à LED : quelques réalisations

Quelques applications, regroupées sous forme thématique :

  • Applications dites de "luminance" en régime statique du type feux de signalisation, balisage encastré sol
  • Applications dites de "luminance" en régime dynamique, pour réaliser des effets décoratifs par panneaux lumineux encastrés ou muraux, de la signalisation routière dynamique pour la gestion du trafic, des accessoires décoratifs qui complètent des luminaires traditionnels, croix de pharmacies
  • Pour l'illumination et l'éclairage architectural, les diodes sont utilisées pour concevoir des projecteurs équipés de systèmes optiques permettant de modifier la distribution des faisceaux

Luminaires à LED : problèmes techniques à résoudre et perspectives de développement pour les fabricants et concepteurs

Perre Tarroux, ingénieur Recherche et Développement chez Thc explique que le flux lumineux varie de manière considérable a la température, cette variation dépend du type de semi-conducteur et de la couleur de la LED en particulier, dans bleu, il y a peu de dégradation du flux avec la température alors que cette dégradation est importante dans le rouge très utilisé en balise aéronautique, celle variation pouvant atteindre 70 % de la valeur initiale à 25 Oc.

Comment assurer la gestion des LED
sur le plan thermique ?

Les constructeurs ont beaucoup évolué l'obstacle est la résistance thermique qui s'exprime en IVW entre la puce et l'extérieur .

Pour surmonter, les LED sont montées sur un radiateur qui a pour fonctionnement de transmettre la chaleur dissipée dans la puce pour la ramener à l'extérieur. A l'origine, on utilisait des résines époxy classiques à l'encapsulation des LED, mais ces résines n'avaient pas une tenue température suffisante pour supporter la puissance que l'on peut dissiper actuellement les constructeurs ont remplacé ces matériaux par du gel silicone transparent plus performant aux hautes températures, encapsulé dans une enveloppe en méthacrylate de méthyle afin de constituer un émetteur satisfaisant. Le problème de résistance à l'échauffements du boîtier de la LED étant résolu, il restait à traiter problème de la transmission de la chaleur dégagée au niveau de puce vers l'extérieur. A cette fin, les constructeurs ont intégré dans boîtier un élément métallique en contact thermique d'un côté avec puce et de l'autre côté avec l'extérieur. C'est cette partie de l'élément métallique qui doit être couplée thermiquement à ce que l'on appel communément un radiateur.

Les conditions de fonctionnement électrique des LED imposent quelques contraintes concernant le couplage électrique entre le boîtier et le radiateur, précisément dans le cas de LED montées sur un support commun, une isolation supplémentaire, obstacle à l'écoulement thermique, est nécessaire. Une conception correcte du dispositif d'isolation électrique ne dégrade pas sensiblement la qualité de la transmission de la chaleur vers le milieu ambiant. Pour représenter de manière amusante ce qui représente, sur le plan de l'électronique, une puissance thermique d'un watt, l'électronicien amateur ou professionnel sait bien qu'il n'est pas possible de toucher avec ses doigts une résistance pure dissipant une telle puissance ce qui laisse à imaginer l'énorme quantité de chaleur qui va se trouver sur le demi-millimètre cube que constitue l'émetteur d'une LED et ce qui montre toutes les difficultés que doivent résoudre les fabricants de luminaires utilisant des LED.

Ces problèmes d'évacuation thermique ont été surmontés par les fabricants puisque l'on a actuellement des composants ayant des résistances thermiques de 10 à 15 K par watt, alors qu'autrefois les diodes de 5 mm de diamètre présentaient des résistances thermiques voisines de 300 K par watt. Pour les constructeurs de luminaires, il y a d'autres voies à explorer que celles proposées par les fabricants de LED pour constituer de nouvelles sources d'éclairage.

Pour essayer de résoudre les problèmes de maintenance entre des systèmes de LED d'ancienne et de nouvelles conceptions, on a construit, aux Etats-Unis, des alimentations à variations pour essayer d'égaliser les niveaux, sans parvenir à réaliser une bonne égalisation des couleurs, selon Pierre Tarroux. Mais cette question ne se posera plus à l'avenir en raison de la grande fiabilité des nouveaux systèmes mis sur le marché. Pour optimiser l'écoulement de la chaleur émise dans les jonctions, des logiciels de calcul sont utilisés dans les études des luminaires pour qu'ils répondent aux critères définis dans les cahiers des charges.

Sur le plan optique, les constructeurs viennent incorporer au niveau de la puce des systèmes optiques afin d'obtenir des distributions luminaires à brillance constante ou du type "batwing" (en aile de papillon) que l'on utilise pour l'éclairage sur tranche en signalétique. En plus de systèmes dioptriques et catadioptriques, on peut aussi réaliser des éléments optiques à partir d'éléments réfléchissants dans cette technique de haute précision, il est possible de recueillir le flux lumineux émis sur 1800 à savoir dans la partie centrale de la diode et en émission latérale par récupération du flux lumineux sous la forme de système optique à réflexion totale cette technique améliore à la fois le rendement, mais aussi favorise un meilleur mélange des couleurs. C'est le cas des diodes blanches qui émettent dans le bleu et sont recouvertes de poudres fluorescentes celles-ci ne présentent pas en effet une couche homogène de poudres entre le centre plutôt jaunâtre et la périphérie de couleur bleuâtre. Ces techniques ont été utilisées avec succès sur des diodes en champ proche afin d'éliminer les traces de franges colorées sur des surfaces blanches. Maintenant, les constructeurs de diodes ont une meilleure maîtrise de l'épaisseur des poudres fluorescentes de manière à atténuer ces effets.

Pour parler de l'évolution technique des diodes blanches, les fabricants travaillent sur des diodes dont la technique d'émission lumineuse se rapproche de celle des tubes fluorescents, ces diodes émettent dans le visible à la limite de l'UV avec trois groupes de poudre, suivant trois longueurs d'ondes principales, afin de constituer un spectre de lumière blanche, mais il y a des difficultés à surmonter pour éviter que ces poudres et les éléments du boîtier soient détruits par le rayonnement proche de l'UV émis par l'émetteur. David Madéore, responsable des projets d'éclairage à la société Erco, utilise principalement les diodes comme émetteur de luminance pour réaliser des signaux ou du balisage un luminaire avec réflecteur asymétrique qui travaille en éclairement permet de réaliser avec des LED, pour une puissance totale de 1,7 W, un éclairement au sol de 30 lux à 3 m.

Quels sont les avantages liés à l'emploi
des LED en éclairage architectural ?

La bonne maintenance du flux lumineux dans le temps et la durée de vie des LED permettent de les réserver à l'éclairage architectural extérieur dans le cas d'accès aux luminaires, difficiles ou précaires, et là où la demande en niveaux d'éclairement est peu élevée. Pour le futur, David Madéore croit plus au développement des LED en éclairage l'accentuation et asymétrique à effet mural qu'à celui de l'éclairage minéral. La difficulté actuelle est de réaliser avec une LED, un faisceau intensif (de l'ordre de 100) la partie centrale de la diode est souvent traitée mais la partie périphérique pose des problèmes de conception des systèmes optiques.

A terme, les luminaires à LED ne devraient pas remplacer les luminaires d'éclairage général équipés de lampes à décharge conventionnelles, mais d'autres typologies de luminaires seront à créer qui intégreront la miniaturisation des LED, soit avec des LED en lumière blanche, soit avec des LED de couleurs mélangées R/G/B. Ces solutions pourront être préconisées en éclairage architectural intérieur une fois que l'efficacité de ces lampes aura progressé et que le coût des diodes deviendra compétitif par rapport aux solutions classiques.

Jean-Pierre Vitrac, designer, cherche à imaginer de nouveaux concepts pour une plus grande variété de produits industriels. Dans le développement de nouveaux produits, la valeur d'usage est déterminante. Jean-Pierre Vitrac s'étonne que, pour le luminaire, la démarche consiste davantage à réaliser une forme pour laquelle on s'arrange à trouver ensuite une source d'éclairage adéquate et non à entreprendre la démarche inverse en exploitant les potentialités de l'émetteur de lumière. Nous ne sommes pas encore arrivés à concevoir des luminaires LED pour l'éclairage on est très éloigné de la miniaturisation s'il faut multiplier le nombre de LED, celles-ci devant être réservées à certaines applications. Si beaucoup est fait en matière de consommation autour des développements de la technologie, on parle assez peu des recherches en matière d'usage des produits, la technologie aura beaucoup de peine à évoluer s'il n'y a pas de demande. La véritable question est de savoir comment on va provoquer un développement du marché, là où la technologie des téléphones mobiles a créé une très grande demande avec des changements dans le mode de comportement social de la part des usagers le véritable challenge de la part des fabricants de LED est de savoir s'il sera possible de faire de même.

On manque de recherches prospectives sur les applications des diodes et il n'y a pas suffisamment d'incitation il faut dépasser les phénomènes de mode liés à l'apparition de certains produits, et Jean-Pierre Vitrac d'inciter les professionnels de l'éclairage à réfléchir aux modes d'utilisation des LED dans le futur en jouant sur les complémentarités et les potentialités de leur application avec des systèmes de gestion de l'éclairage - par exemple en éclairage extérieur où les LED peuvent être utilisées pour des éclairages dynamiques.

Le chemin est encore long avant de réaliser des systèmes d'éclairage à LED de grande diffusion, mais les réels avantages signalés et le potentiel de recherche sont tels aujourd'hui que tous les espoirs sont permis pour que les diodes lumineuses accèdent rapidement au statut de lampes, au même titre que les lampes à incandescence et à décharge.

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