Title:
1Éclairage à LED Blanche
2Éclairage à LED
Les lampes à diodes électroluminescentes
blanches sont appelées à remplacer les ampoules à
incandescence Elles offrent une bonne qualité de
lumière et autorisent dimportantes économies
dénergie
3Nouvelle filière
- Poste de consommation auparavant peu important
(face au chauffage, climatisation ), l'éclairage
représente aujourdhui un fort pourcentage de la
consommation électrique au m² - Fortement accéléré par larrivée de la norme RT
2012, le développement de nouvelles solutions
déclairage à LED impose une nouvelle
organisation de la filière Les LEDs ouvrent de
nouveaux horizons et de nouvelles possibilités,
mais nécessitent la réunion de compétences
nouvelles pour le secteur lélectronique,
loptique, la thermique, la compatibilité
électromagnétique,
4Comparaison
5Principe de fonctionnement
- Le mot LED est l'acronyme de
- Light Emitting Diode (Diode Électroluminescente
en français) - Le symbole de la LED ressemble à celui de la
diode mais on y a ajouté deux flèches sortantes
pour représenter - le rayonnement lumineux émis Symbole de la LED
6L'effet électroluminescence
- Un électron de la bande de conduction peut passer
dans une bande de valence. Alors,il libère une
énergie au moins égale à Delta ECette énergie
peut être - - dissipée sous forme de chaleur (phonons)
- - émise sous forme de lumière (photons)
- C'est l'effet électroluminescence (visible ou
non)
7Ordres de grandeurs pour les meilleures LEDs
- La physique des semi-conducteurs nous enseigne
que les électrons dans les solides cristallins se
situent à des niveaux d'énergie spécifiques. Ces
niveaux très proches les uns des autres, sont
regroupés en "bandes dénergie". Un électron de
la bande de valence peut passer dans la bande de
conduction à condition d'acquérir une énergie
supplémentaire au moins égale à Delta EC'est
l'effet photoélectrique
8Ordres de grandeurs pour les meilleures LEDs
9Comparaison des technologies
10LED blanches
Divers principes technologiques
11Principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement des LED blanches
est très différent de celui des lampes à
incandescence et fluorescentesNous allons voir
quil est fondé sur la physique des
semi-conducteurs et quil a nécessité une
cinquantaine dannées de recherches et de
développements avant daboutir à des lampes
commerciales dont le coût devrait baisser avec
lamélioration des techniques de fabrication
12Diverses technologies
Lobtention de LED blanche (LED démission
lumineuse la plus proche de celle du soleil) peut
ainsi se faire de différentes manières -
reconstitution RGB (3 semi conducteurs) - LED
bleue phosphore jaune - LED bleue multiples
phosphores - LED UV Phosphore RGB - méthode de
Schubert (PRS-LED)
13Méthode RGB
Utilisée en premier elle ne dépend pas dune
technologie complexeCette façon de produire du
blanc consiste simplement à mélanger les trois
couleurs primaires Ce mode de fabrication a
été très peu employé pour les LEDs blanche haute
luminosité
14Méthode RGB
- Il est difficile de qualifier ce type de LED par
son IRC car le spectre possède 3 pics
significatifs avec beaucoup dénergie au niveau
de ces pics dune part, et dautre part ces pics
sont très proches les uns des autres - Même si cette technologie permet dobtenir une
couleur blanche bien précise (en jouant sur les
rapports de puissance des 3 couleurs), les LEDs
rouges, vertes, bleues ne réagissent pas de la
même manière à des gradients de température, et
au vieillissement, modifiant ainsi la couleur
blanche déterminée au départ
15LED bleue phosphore jaune
Cest la méthode la plus couramment utilisée
dans lindustrie pour la fabrication de LED
blancheLe spectre caractéristique de ce
type de LED blanches provient du fait que le
phosphore jaune excité par la radiation bleue
émet une couleur jaune Il y a alors mélange
entre le bleu initial du semi conducteur et le
jaune issu de la phosphorescence
16LED bleue phosphore jaune
On peut parler de laspect bleuté quont
parfois pour ce type de LED qui provient de la
mauvaise mise en oeuvre du phosphore jaune au
dessus du semi conducteur bleu Ici encore des
améliorations ont été apportées afin de résoudre
en partie ce problème et daugmenter le
rendement de la LED
17LED bleue multi phosphores
- Suite à lamélioration des semi conducteurs
bleuson a vu se développer des méthodes plus
complexes à laide phosphores différents. La
connaissance des phosphores a évoluée pour les
améliorer et les diversifier - Cette manière plus complexe de fabrication de
lumière blanche est réservée à certains types
dapplications qui requièrent des spectres bien
spécifiques (de couleur de température plus
chaude par exemple) - Ainsi, une LED bleue utilisée avec 2 phosphores
rouge et vert permet datteindre un spectre bien
spécifique, qui se rapproche de celui des LED RGB
18LED bleue multi phosphores
Une LED bleue utilisée avec 2 phosphores
rouge et vert permet datteindre un spectre bien
spécifique qui se rapproche de celui des LED RGB
19LED bleue multi phosphores
Le fabricant LUMILED a développé une méthode
utilisant deux phosphores jaune et rouge
améliorant ainsi considérablement lindice de
rendu des couleurs en atteignant un indice de
plus de 94
20LED UV phosphore RGB
Ce type de LED blanche fournit une des lumières
blanches qui se rapproche le plus de la lumière
émise par un corps noir (à température de
couleur identique) LIRC peut ainsi
atteindre 90 voire 95
21LED UV phosphore RGB
La mise en œuvre dun semi conducteur émettant
des radiations violettes (coût et performances)
nest encore que peu utilisée sur le
marché comparé à la technologie semi conducteur
bleu phosphore jaune Cette technologie permet
dobtenir une lumière proche de la lumière
naturelle
22LED UV phosphore RGB
- La qualité du packaging de la LED doit être
dexcellente qualité afin de ne pas exposer les
utilisateurs à des radiations UV (même si elles
sont relativement faibles) - Le boîtier de la LED doit avoir été choisi pour
ne pas être sensible (ou le moins possible) au UV
de la source, qui ont tendance à rendre opaque
des boîtiers en résine époxy par exemple (doù
une perte defficacité de la LED)
23Comparatif des spectres
24Méthode de Schubert
Pas encore utilisée de façon industrielle elle
consiste à émettre des radiations bleues à
laide dune première source vers une seconde
Cette dernière absorbe une partie de ces
radiations bleues pour ré émettre du rouge Cette
méthode découverte en 1999 a pour
efficacité théorique 330lm/W, supérieure donc à
celle des LED blanches conventionnelles
(280lm/W) Néanmoins, les performances actuelles
de ce type de LED atteignent 10-15lm/W. De
plus, lIRC est faible comparé aux LED à
technologies plus standard En ajoutant une
seconde couche dAlInGaP on peut tout de même
atteindre un IRC60
25Méthode de Schubert
26Diodes bleuesphosphore
Ce sont celles qui sont le plus usitées
actuellement
27Diode bleue phosphore
La méthode la plus courante pour faire du
blanc est dassocier une LED bleue à un
convertisseur de lumière (appelé généralement
phosphore) Cette technique a lavantage
dutiliser une LED dont lefficacité est plus
stable en fonction de la température Par contre,
la dérive chromatique va engendrer un
déplacement du point de couleur vers le vert et
le convertisseur perdra en efficacité avec cette
variation de longueur donde Cest pourquoi, la
gestion thermique est primordiale dans la
fabrication du blanc avec des LED que ce soit
dans le cas dun module RVB ou dans le cas
dune LED blanche convertie
28Schéma diode LED bleue
29Schéma global
30Lumière blanche avec Led bleue
31Principe
La LED bleue est recouverte dun luminophore
qui absorbe de la lumière bleue et ré émet dans
le jaune Lépaisseur du luminophore est choisie
de telle sorte quune partie seulement de la
lumière bleue est absorbée En ajustant les
rapports dintensité entre bleu et jaune la
lumière perçue est blanche
32LED bleues
Les LED bleues à base de nitrure de gallium ont
permis dobtenir un bon rendement quantique
interne Ce dernier est défini comme le rapport du
nombre de photons émis au nombre délectrons
injectés provenant du courant électrique qui
alimente la jonction p-n interne, encore faut-il
pouvoir extraire les photons du cœur de la LED
avant quils ne soient réabsorbés par le matériau
lui-même Or du fait de la forte interaction entre
la lumière et la matière dans les
semi-conducteurs, lindice de réfraction est
élevé (2,4 pour le nitrure de gallium)
33Puissance lumineuse en fonction de la température
34Caractéristiques optiques
Longueur d'onde du pic d'émission Spectre ou
largeur spectrale à mi-intensité Diagramme de
rayonnement Angle d'émission à mi-intensité Intens
ité lumineuse
35Longueur d'onde du pic d'émission
Cette valeur nous indique la longueur d'onde
(lambda p) en nanomètre à laquelle est émise la
plus importante partie du rayonnement (wave
length) La valeur est donnée pour une intensité
de courant (IF)
36Spectre ou largeur spectrale à mi-intensité
Le spectre d'émission d'une diode LED est
relativement étroit Exemple pour une longueur
d'onde à intensité maximale égale à 520 nm, la
longueur d'onde à intensité moitié sera comprise
entre 505 nm et 535 nm (soit une largeur
spectrale de 30 nanomètres)
37Diagramme de rayonnement
Le flux lumineux n'est pas homogène tout autour
de la LED La répartition spatiale de la
puissance émise dépend de la forme de la diode
LED - forme de la partie émissive (point,
trait...) - avec lentille de concentration ou
sans - diffusante ou non Cette répartition est
définie par le diagramme de rayonnement qui
représente la répartition angulaire de
l'intensité relative émise
38Le diagramme de rayonnement
Il représente la répartition angulaire de
l'intensité relative émise Les fabricants
précisent souvent l'angle pour lequel
l'intensité lumineuse a été réduite de moitié
39Angle d'émission à mi-intensité
Les fabricants précisent souvent l'angle pour
lequel l'intensité lumineuse a été réduite de
moitié Sur le diagramme le point rouge indique
un angle de 10 degrés et le point vert un
angle de 50 pour une intensité relative émise
de 50
40Intensité lumineuse
L'intensité lumineuse (mesurée en candelas) est
la quantité de lumière émise dans une certaine
direction à 1 mètre de distance Dans les
caractéristiques optiques des LED nous
l'exprimons en micro-candela (mcd)
41Rendement lumineux
Les LED blanches ont un rendement lumineux
déjà élevé, mais il reste inférieur aux maxima
théoriques qui, en fonction de la qualité de la
lumière blanche, sont denviron 350 à 400 lumens
par watt Le rendement actuel est de lordre de
100 lumens par watt pour les LED blanches (50 à
80 lumens par watt pour les lampes fluo
compactes et 15 lumens par watt pour les
ampoules à incandescence, qui émettent surtout
dans linfrarouge)
42Lefficacité lumineuse
L'efficacité lumineuse des LED dépend de la
technologie utilisée Elle varie énormément avec
la couleur émise par la LED et avec le fabricant
43Liaison IRC efficacité lumineuse
44Caractéristiques électriques
45Polarisation
Une LED se comporte électriquement comme une
diode Pour émettre elle doit être polarisée en
direct le courant IF vaut environ (E-VF)/R Le
constructeur préconise 10 à 20 mA Le courant
traversant la LED détermine l'intensité
lumineuse émise Remarque certaines diodes ont
des tensions de construction de l'ordre de 3 V
et plus
46Courbe courant tension
La caractéristique IF(VF) montre que la tension
de conduction de la diode LED (Forward voltage)
est environ 1,5 Volts à 2 V
47Tension inverse (VR)
Dans certains cas, on peut avoir besoin de
polariser en inverse la LED La diode est alors
éteinte elle n'émet plus d'intensité
lumineuse Mais attention, la diode LED ne peut
pas supporter des tensions inverses trop
importantes comme une diode de redressement par
exemple Les valeurs courantes sont telles que
VR max 3V à 5V (reverse voltage) au delà
de ces valeurs il y a endommagement
ou destruction du composant En cas de besoin nous
plaçons une diode normale en série avec la LED
48Courant direct en continu (IF)
- Le courant direct (mA) est donné en règle
générale pour une température ambiante (TA) de
25C. C'est le courant permanent que peut
supporter la diode. Comme un semi-conducteur
chauffe (avec aggravement si TA gt 25C), il est
recommandé de réduire l'intensité du courant
(forward current).
49Puissance et température de fonctionnement
La température de jonction doit rester inférieure
à 125C Mais souvent les diodes LED sont montées
dans des boîtiers plastiques. Dans ce cas, la
température de fonctionnement ne doit pas
dépasser 100C La puissance que peut dissiper une
diode LED commune (ou utilisée en tant que témoin
lumineux) est de l'ordre de 20 à 100 mW Les
puissances des diodes LED destinées
aux applications d'éclairage de locaux ou des
lieux publics sont de l'ordre du Watt voir
beaucoup plus quand il s'agit de module LED
50Led à nanotubes
51Solution innovante
Toujours dans loptique de fabriquer moins cher,
une solution innovante consiste à faire croître
le nitrure de gallium en colonnes ou pyramides
de tout petit diamètre, de 0,1 à 1 micromètre
52Structure en colonnes
Cette technique permet non seulement dobtenir
une qualité Cristalline parfaite, mais aussi un
coefficient dextraction des photons très élevé,
en raison de la grande surface présentée par
cette structure La fabrication du nitrure de
gallium de qualité sur un substrat de silicium
permettrait dobtenir un semi-conducteur bon
marché Cependant, il faut garder à lesprit que
la LED nest quun des éléments qui constituent
la lampe. Elle ne représente que 15 à 20 pour
cent du coût total Il faut considérer, par
exemple, le système dalimentation électrique
pour adapter la tension au fonctionnement de la
LED
53Leds à nanofils
54Tailles variables
La taille des LED varie de 0,3 millimètre de
côté pour les LED standards à plus dun
millimètre pour les LED blanches de puissance
55Association en grand nombre
Un point à considérer lors de la conception
dune lampe à LED concerne la diffusion de la
lumière Une LED est une source lumineuse
ponctuelle peu agréable pour lœil Lune des
solutions envisagées par de nombreux constructeurs
consiste à intégrer un grand nombre de LED de
faible puissance afin de limiter
léblouissement Une autre solution repose sur
lintégration du luminophore au diffuseur de la
lampe
56Mesures et essais
Aperçu des diverses études
57Bancs dessais
- Trois sphères intégratrices de diamètre
respectifs 30 cm, 1 m et 3 m permettent des
mesures sur de très petites sources de type LED
jusquà de gros luminaires comme les projecteurs
de stade - Les bancs d'essais sont constitués d'une sphère,
d'un spectromètre, de lampes étalons,
d'alimentations contrôlées, d'un analyseur de
puissance et d'un logiciel de traitement - Les résultats de mesure sont le spectre (densité
spectrale de flux), le flux lumineux, la
température de couleur, les coordonnées de
chromaticité, lindice de rendu des couleurs,
l'efficacité lumineuse, les puissances
électriques actives et réactives, les composantes
harmoniques en courant et le facteur de puissance
réel
58Sphère détude
59Mesure dynamique
- L'efficacité lumineuse (lumen par watt) dun
appareil déclairage est un facteur déterminant
dans le choix dun luminaire efficace dun point
de vue énergétique. Lefficacité du luminaire
prend en compte les performances des sources, du
système optique et du ballast (ou driver dans le
cas de LED). Ces performances évoluent dans le
temps et selon le régime de fonctionnement du
système
60Efficacité lumineuse
- Par la mesure du flux lumineux en sphère
intégrante et le contrôle de la puissance
électrique fournie au luminaire (courant,
tension, facteur de puissance), la courbe
defficacité lumineuse du luminaire est tracée en
fonction du temps. Ainsi peut être observé le
comportement dun système complet déclairage
(sources, optique, ballast, système de gestion)
lors des phases d'allumage, de gradation, de
variation de couleur, etc - Le banc dessai est constitué dune sphère
intégrante (diamètre 3 m, 1 m ou 30 cm), dun
stabilisateur de tension, dun système de réglage
et de mesure des paramètres électriques et dun
système dacquisition des caractéristiques
photométriques
61Limitations thermiques
62Photométrie angulaire en champ proche
Le gonio-photomètre est un dispositif permettant
de balayer tous les angles d'émission d'une
source lumineuse en mesurant l'intensité et la
luminance de celle-ci Le dispositif utilisé
comporte un bras tournant denviron 1,5 m de
longueur La mesure seffectue grâce à une caméra
CCD stabilisée en température et dun
photomètre très précis permettant deffectuer en
temps réel la calibration des images en luminance
63Carte de luminancechromaticité
- Un vidéoluminancemètre (caméra photométrique et
colorimétrique) est utilisé pour réaliser une
cartographie de luminances et de coordonnées de
chromaticité sur des luminaires, des afficheurs,
des écrans, des enseignes lumineuses, des
revêtements luminescents, etc - Ces mesures sont de préférence réalisées en
laboratoire, mais peuvent être également
réalisées in situ
64Photométrie des LEDs
- Mesures en sphère dintégration des
caractéristiques photométriques et radiométriques
de sources de lumière (modules LED, petit
luminaire dont les dimensions typiques sont
inférieures à 15 cm). Les données de sortie
sont - Flux lumineux (lm)
- Spectre démission (400-800nm)
- Température de couleur
- Indice de rendu de couleur
- Caractéristiques électriques (I, V)
65Thermographie dynamique des modules à LEDS
L'objectif est le monitoring de la température
de fonctionnement du luminaire/module à LED et
son évolution temporelle. Ceci peut mettre en
évidence des lacunes dans la gestion thermique du
système. La mesure se fait à l'aide d'une caméra
infrarouge résolue en temps et le résultat est la
cartographie thermique du luminaire en différents
instants
66Analyse normative
- Essais identiques aux essais de qualification,
notamment - NF EN 61547 équipements pour léclairage à
usage général, exigences concernant limmunité
CEM - NF EN 55015 appareils électriques déclairage
et appareils analogues, exigence concernant
lémission CEM - Essais aux limites possibles
- Analyse et recherche de solutions de mise en
conformité
67Spectrophotométrie des LED
68Spectrophotométrie des LED
Les mesures se font à laide dune source de
courant stabilisée dun spectrophotomètre et de
sondes de température associées à un module
Peltier afin danalyser les performances des
produits selon des critères dutilisation
69Particularités
70Diverses formes de LED
71Aspects photométriques
72Systèmes optiques
73Exemple de conception
74Domaine actuel dapplication des LED en
éclairage public
Les LED laissent présager dun avenir remarquable
dans beaucoup dapplications de léclairage, mais
aujourdhui leurs domaines dapplications
privilégiés doivent se concentrer sur les
réalisations suivantes, à savoir lorsque - un
allumage instantané simpose (éclairage de
sécurité ou de dissuasion - éclairage de voies
privées très peu fréquentées) - une modulation
multiple et importante du niveau de lumière est
nécessaire (parkings privés - éclairages de
secours) - lon veut réaliser un fonctionnement
commandé par détecteur de présence (abribus
zones privatives - voies résidentielles) - lon
désire réaliser des effets lumineux par
variations de couleurs de la lumière - lon
réalise des éclairages de mise en valeur
statiques ou dynamiques des façades, monuments et
fontaines - lon réalise un balisage de certains
parcours piétonniers et pistes cyclables - lon
réalise des éclairages dambiance urbaine en
lumière blanche pour lesquels les niveaux
déclairement peuvent être faibles et conformes à
la norme EN 13201 (lotissements, parkings privés,
pistes cyclables, etc.) - un balisage
complémentaire doit sajouter à un éclairage
traditionnel pour une meilleure lisibilité du
parcours - en illuminations, des projecteurs
très directionnels, colorés ou non, sont
nécessaires - en éclairage dambiance,
lutilisation de sources multiples miniaturisées
voire diversement colorées, apporte des effets
lumineux supplémentaires générateurs de nouvelles
ambiances nocturnes
75Normes et risques
76Textes de référence en matière déclairage
- Décret n 83-721 du 2 août 1983 et Circulaire du
11 avril 1984, relatifs à l'éclairage des lieux
de travail. - NF EN 12 464-1 Éclairage des lieux de travail
Partie 1 Lieux de travail intérieurs (juin
2003) - NF EN 12 464-2 Éclairage des lieux de travail
Partie 2 Lieux de travail extérieurs
(octobre 2007) - NF X 35-103 Principes d'ergonomie visuelle
applicables sur les lieux de travail - NF EN 62 471 Sécurité photobiologique des
lampes et des appareils utilisant des lampes, 2008
77Risques occulaires
- 90 des LED fonctionnent par un procédé qui
consiste, pour obtenir une lumière blanche, à
coupler une diode bleue à un phosphore jaune.
C'est "la technologie la plus simple et la moins
coûteuse", selon Dominique Gombert, directeur de
l'évaluation des risques de l'Anses. Or, cette
lumière bleue présente des risques notamment pour
la rétine, plus sensible à la lumière
violette-bleue, les différents pigments présents
dans ses cellules pouvant induire une réaction à
l'origine de lésions par stress oxydatif. Ce
risque photochimique "résulte généralement
d'expositions peu intenses répétées sur de
longues durées", sans filtre, selon l'agence - Les enfants "sont particulièrement sensibles à ce
risque, dans la mesure où leur cristallin reste
en développement et ne peut assurer son rôle
efficace de filtre de la lumière", dit l'Anses.
Cette lumière bleue a également des effets
"aggravants" sur une pathologie fréquente avec
l'âge, la dégénérescence maculaire liée à l'âge
(DMLA) et chez des personnes sensibles à la
lumière du fait d'affections cutanées ou de
traitements médicamenteux
78Norme NF EN 62471
- Définition de la classification du niveau de
risques par la norme NF EN 62471 de sécurité
photo biologique qui définit 4 groupes de
risquesLe groupe de risque 0 (exempt de
risque), le produit ne présente aucun risque
photo biologique - Le groupe de risque 1 (risque faible), le
produit ne présente pas un risque lié aux limites
dexposition en condition dutilisation normale - Le groupe de risque 2 (risque modéré), le
produit ne présente pas un risque lié à la
réponse daversion pour les sources à lumière
très brillante ou en raison de linconfort
thermique - Le groupe de risque 3 (risque élevé), le produit
peut présenter un risque même pour une exposition
momentanée ou courte
79Risques des LEDS
- Le rapport de l'ANSES décrit 2 risques principaux
dans son rapport - - Le risque lié à la lumière bleue, soit
l'éclairage bleu pur (bleu roi) soit l'éclairage
blanc froid à en dessous de 5200 K - - Le risque lié à l'éblouissementL'étude
démontre qu'une LED blanc froid de 200 lumens
présente un risque modéré de niveau 2Cette même
étude nous apprend qu'une LED multi chip d'une
valeur totale de 7000 lumens ne présente plus
qu'un risque faible de niveau 1Pour finir, un
ensemble de 100 LED de 100 lumens offrant alors
un total de 10.000 lumens n'offre plus aucun
risque et entre dans le groupe 0
80Populations sensibles
- On apprend dans ce rapport que les éclairages
blancs froids (connotation bleue prononcée) et la
lumière bleue, peuvent entraîner une certaine
toxicité pour la rétine sur 3 types de
populations particulièrement sensibles - Les enfants
- Les populations sensibles à la lumière
- Les populations particulièrement exposées aux
LEDs
81Association moins nocive
- Létude ANSES démontre de façon claire et sans
ambiguïté qu'une seule LED de puissance est plus
dangereuse qu'une association de LEDIl ne faut
pas faire de parallèle entre une LED unitaire de
très forte puissance et une ampoule à LED
82Sources
LEDS blanches les différentes technologie
daprès Laurent MASSOL (LED ENGINEERING
DEVELOPMENT) Pour la science N421 novembre
2012 http//www.clusterlumiere.com http//nccr-qp
.epfl.ch/files/content/sites/nccr-qp/files/Documen
ts/led2009/NCCR_QP_LED_R.Noirot_24.02.2009.pdf htt
p//www.asprom.com/tech/veille38.pdf http//www.le
monde.fr/planete/article/2010/10/25/certains-eclai
rages-a-led-presentent-un-risque-pour-les-yeux_143
1149_3244.html Rapport anses sur les risques des
LEDS
83FIN