LED - expliquée simplement - La technologie LED - le savoir-faire théorique et pratique
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LED – expliquée simplement La technologie LED – le savoir-faire théorique et pratique
Contenu
Chapitre Page
1.0 Introduction 3
1.1 LED – qu’est-ce que c’est? 3
1.2 Pourquoi des LED? 3
2.0 Technologie LED 4
2.1 La fabrication 4
2.2 Couche chargée négativement 5
2.3 Types de LED 5
2.4 Types de montage de LED 6
2.5 Avantages de la technologie LED 7
2.6 Critères de qualité 8
2.7 Technique conventionnelle ou LED? 15
3.0 Applications LED 16
3.1 Où l’utilisation des LED est-elle pertinente? 16
3.2 Calcul du potentiel d’économie d’éclairage 17
3.3 Sources lumineuses LED 18
3.4 Luminaires LED 18
3.5 Luminaires / sources lumineuses commandés en tension 19
3.6 Luminaires / sources lumineuses commandés en courant 19
3.7 Luminaires / sources lumineuses tension réseau 20
3.8 Exemple de projet sur le thème rétrofit 21
4.0 Planification LED et installation 24
4.1 De l’éclairage conventionnel aux LED 24
4.2 Planification d’une installation LED 24
4.3 Variabilité des LED 24
4.4 Encastrement et montage de luminaires LED 27
4.5 Elektro-Material SA et Elevite 28
5.0 Nouvelles technologies 30
5.1 Perspectives des OLED 30
5.2 Technologie LCC 32
6.0 FAQ 34
7.0 Lexique 38
2
1.0 Introduction
Nous avons besoin de lumière pour vivre. La lumière rythme notre temps, dicte nos
cycles de sommeil et de veille. Outre la lumière naturelle du soleil, l’éclairage artificiel
joue un rôle majeur du fait que nous passons beaucoup de temps à l’intérieur. Il nous
faut de la lumière surtout pendant la nuit: pour nous protéger et nous orienter, pour le
travail et les loisirs. L’éclairage artificiel nous accompagne à l’intérieur et à l’extérieur,
dans la vie privée et professionnelle. La lumière influence nos humeurs et notre bien-
être. De jour comme de nuit.
La présente brochure vous apporte des connaissances techniques complètes sur la
technologie et les applications des sources lumineuses et luminaires LED. Afin que vous
soyez paré pour l’avenir!
1.1 LED – qu’est-ce que c’est?
La LED – light-emitting diode, ou DEL, diode électroluminescente – est un composant
électronique à semi-conducteur. Lorsqu’un courant traverse la diode dans le sens passant,
celle-ci émet de la lumière. Contrairement aux sources lumineuses conventionnelles, les LED
sont des composants électroniques, à savoir de minuscules puces électroniques en cristaux
semi-conducteurs. Les LED se passent de filtres chromatiques: leur lumière est directement
produite en diverses couleurs grâce à différents matériaux semi-conducteurs. La luminescence
de substances anorganiques a été découverte en 1907 déjà, et la naissance des LED produites
industriellement remonte à 1962. Il existe des LED blanches depuis le milieu des années 1990.
Ces dernières années, l’efficacité des LED a doublé tous les deux ans. Aujourd’hui, les LED
trouvent place dans de nombreuses applications. Elles sont devenues des sources lumineuses
rentables largement reconnues pour leurs nombreux avantages. Leur succès dépend surtout
d’une bonne qualité, d’une installation et d’une mise en service correctes ainsi que des com-
pétences techniques permettant de déterminer quand et où leur emploi est pertinent.
1.2 Pourquoi des LED?
Les LED sont aujourd’hui des sources lumineuses rentables pour l’éclairage général et l’éclai-
rage d’accentuation. Là où cela est judicieux, elles peuvent remplacer les sources lumineuses
conventionnelles et ainsi améliorer la flexibilité et réduire la consommation de courant. L’éner-
gie nécessite des ressources. L’utilisation de sources lumineuses et luminaires LED permet de
limiter les coûts engendrés par les prix croissants de l’électricité et d’exploiter rationnellement
l’énergie disponible dans de nombreuses applications.
Les LED sont petites, souples et graduables. Leur durée de vie est extrêmement longue et la
qualité de leur lumière est excellente. Utilisables à l’intérieur ou à l’extérieur, elles produisent
une lumière blanche ou colorée et ménagent les biens sensibles. La mise en œuvre cohé-
rente de la technologie LED et l’utilisation de commandes d’éclairage intelligentes permettent
d’épargner quelque 70 % de l’énergie destinée à l’éclairage. La percée de la technologie LED
constitue sans doute le plus important bouleversement intervenu dans la technique d’éclairage
depuis des décennies.
3
2.0 Technologie LED
2.1 La fabrication
Les LED sont constituées de cristaux semi-conducteurs. Alors que dans les sources lumineuses
conventionnelles, la lumière est produite par un fil incandescent ou un gaz, les LED sont de
minuscules puces électroniques en cristaux semi-conducteurs spéciaux. Avec la technologie
LED, nous sommes entrés dans l’ère de l’optoélectronique.
La matière première des LED est constituée de cristaux semi-conducteurs disposés en plaques
Fabrication appelées wafers puis découpés en chips, ou puces. Les diodes électroluminescentes se com-
Les installations modernes assurent une posent d’un semi-conducteur de base négatif présentant un excédent d’électrons. Puis s’ajoute
production rapide et en grandes quan- une très fine couche semi-conductrice positive présentant un manque d’électrons – on parle ici
tités de matériaux semi-conducteurs. de «trous». Placés sous tension, les électrons excédentaires et les «trous» se réunissent et se
Un wafer permet de produire des cen- combinent pour former la «couche barrière». L’énergie libérée est alors transformée en lumière
taines de puces LED. et en chaleur dans le cristal semi-conducteur.
Même les installations les plus modernes ne parviennent pas à conférer les mêmes caracté-
ristiques de flux lumineux et de chromaticité à toutes les zones du wafer. La sélection, le «bin-
ning», intervenant après la coupe du wafer en puces revêt donc une grande importance. Pour
garantir une qualité de lumière, une luminosité et une couleur de lumière constantes, les LED
de chaque lot doivent être triées et réparties en «bins» (anglais: récipients). Ce processus de
binning est surtout crucial avec les LED blanches. Vous en saurez plus à ce sujet en lisant le
chapitre «Critères de qualité» en page 8.
Pour simplifier les contacts électriques et la protéger de son environnement, la LED est coulée
dans une lentille en silicone qui améliore également l’émission de la lumière.
Structure d’un module LED
Module
Lentille
Liaison par bonding
Puce Colle conductrice ou
soudage
Support / boîtier
Brasure
Circuit imprimé
(par ex. avec
le circuit imprimé)
La petite puce LED lumineuse est posée sur un gros élément conducteur de chaleur assurant
une bonne gestion thermique. La lentille assure la conduction primaire de la lumière.
4
Couche chargée
positivement
Couche intermédiaire
Couche chargée
négativement
2.2 Couche chargée négativement
Lorsque le courant passe par le semi-conducteur, celui commence à produire, à «émettre» de
la lumière. En langage technique, on parle d’«électroluminescence». Peu d’énergie suffit. L’éner-
gie libérée est convertie en rayonnement dans le cristal semi-conducteur. Des réflecteurs et des
lentilles guident, orientent la lumière produite.
Les LED sont alimentées en tension continue. Elles nécessitent un convertisseur de tension.
Contrairement aux lampes à incandescence, qui émettent un spectre complet, une LED n’émet
qu’une couleur précise. La couleur de sa lumière dépend du matériau semi-conducteur utilisé.
On recourt essentiellement à deux systèmes de matériaux (AllnGaP et InGaN) pour produire
des LED à haute luminosité et de toutes les couleurs, du bleu au rouge et, par conversion de
luminescence (voir page 8), au blanc. Différentes tensions sont nécessaires pour exploiter les
diodes dans le sens de conduction.
2.3 Types de LED
La LED High Power, aussi appelée LED hautes performances, produit le plus de lumière. La
plus petite LEP High Power est à peine plus grande qu’une tête d’allumette et atteint une effi-
cacité lumineuse de 100 lumens par watt (lm/ W).
La LED Low Power provient des premiers stades de la technologie LED. Elle mesure trois ou
cinq millimètres et dispose d’un angle de rayonnement de 15 à 30 degrés. La marche victo-
rieuse des LED a débuté avec les LED filaires de 5 mm; aujourd’hui, les LED Low Power sont
utilisées surtout pour la signalisation lumineuse. Elles sont alimentées par des courants de 20
à 100 milliampères (mA) maximum.
La LED Superflux, aussi appelée Spider ou Piranha, offre une grande luminance. Elle est gé-
néralement alimentée en courant de 70 mA et comporte quatre broches. Ces LED permettent
aussi de réunir plusieurs puces dans un boîtier et de les commander individuellement. Leur
angle de rayonnement s’étend de 90 à 130 degrés. Les LED Superflux sont souvent utilisées
dans la construction automobile.
5
2.4 Types de montage de LED
La LED filaire (radiale) trouve son origine aux premières heures de la technologie LED. La puce
LED est encapsulée dans une douille en matière synthétique qui la protège des dommages. En
raison de leur luminance généralement modeste, ces LED Low Power servent principalement
de simples lampes témoins.
LED filaire La LED COB (chip on board) est utilisée pour des modules LED particulièrement puissants
et denses. Dans ce type de montage, des puces LED «nues», non encapsulées, sont collées
directement sur un circuit imprimé et câblées par «pontage» (wire bonding). Une lentille en époxy
(«bubble») en définit l’angle de rayonnement, qui peut donc être très focalisé ou au contraire
très large.
La LED SMD (surface-mount device) est un produit standard miniaturisé pour la production
industrielle. Elle est collée directement sur un circuit imprimé et est connectée par brasage.
Comme la LED filaire, elle est déjà encapsulée. Les LED SMD sont la forme de montage la plus
utilisée dans des modules ou des luminaires. Les types SMD sont équipés aussi bien de LED
Low Power que de LED High Power. Ils permettent une production industrielle de modules plus
performants, plus plats et plus étroits.
LED COB LED hautes performances
Boîtier Puce LED
Puce Boîtier
Connexion +
Couche fenêtre
Couche dopée P
Couche active
(production de
LED SMD lumière)
Couche dopée N
Substrat
—
métallique Radiateur Brasure
Coupe Coupe
Les diodes électroluminescentes ne sont utilisables pour l’éclairage que lorsqu’elles forment
un module sur un circuit imprimé. Ce module peut être constitué d’une LED ou de plusieurs
diodes. Le circuit imprimé – ou platine – assure l’alimentation en courant, l’évacuation de la
chaleur et la commande.
Les modules sont fabriqués de manière standardisée ou adaptée aux besoins spécifiques des
clients. Il existe des modules LED linéaires, souples et plats.
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Modules LED linéaires
Les modules LED linéaires conviennent bien pour produire des effets «lèche-murs» et pour
l’éclairage architectural. Ils donnent du caractère aux façades, aux voûtes et peuvent trouver
place dans des canaux très étroits. Ils permettent aussi de créer aisément de longues lignes
lumineuses très fluides.
Les modules LED souples permettent surtout de maîtriser aisément des courbes et des angles.
Ils sont utilisés pour éclairer ou rétroéclairer des surfaces de forme complexe, par exemple des
lettrages et des mains courantes.
Les modules LED plats e présentent généralement sous forme de panneaux LED prêts à
l’emploi, avec des diffuseurs en verre ou en matière synthétique. Ils servent par exemple de
carreaux lumineux, voire de plafonds lumineux complets. Des commandes adéquates per-
mettent de réaliser des luminaires ou des écrans de grande surface.
2.5 Avantages de la technologie LED
A l’intérieur ou à l’extérieur, comme éclairage décoratif ou fonctionnel, les LED offrent aujourd’hui Modules LED souples
des solutions impensables il y a peu de temps encore. Leur principe de production de lumière
entièrement nouveau permet aux LED de marquer des points dans de nombreux domaines.
Les avantages en bref:
Durée de vie extrêmement longue et ce quasiment sans entretien: les LED des
modules et luminaires offrent des durées de vie de quelque 50’000 heures et plus.
Les LED émettent une lumière focalisée, presque ponctuelle. Des lentilles servant
d’instruments optiques primaires permettent de l’orienter presque sans perte.
Les LED produisent naturellement une lumière colorée pouvant être convertie en
lumière blanche. Le rendu des couleurs atteint Ra > 80 à Ra > 90.
Les LED sont très efficaces: l’efficacité lumineuse des luminaires LED peut dépasser
100 lm/W.
Les LED sont petites et permettent de créer des luminaires compacts et de faible
profondeur d’encastrement.
La lumière des LED est exempte de rayonnement IR et UV direct, elle ménage donc
les objets sensibles. Modules LED plats
Les LED sont résistantes aux chocs et aux vibrations. Cet aspect est surtout intéres-
sant pour les applications industrielles, l’éclairage des routes et les appareils mobiles.
Les LED produisent une lumière sans scintillement, sont variables en continu et com-
mutables à volonté.
Des appareils de commande spéciaux permettent de modifier la température de cou-
leur des luminaires LED, ce qui ouvre de nombreuses possibilités d’aménagement
créatives.
Les LED sont exemptes de mercure et sont éliminées comme déchets électriques.
Les LED fonctionnent parfaitement à basse température ambiante.
7
2.6 Critères de qualité
Il y a LED et LED. Pour comparer la qualité des luminaires et sources lumineuses LED, il faut in-
tégrer des critères de gestion thermique, de conditions d’exploitation et de binning.
Température de couleur et rendu des couleurs
La lumière des LED est par nature colorée. Leur rayonnement lumineux est à bande étroite
(monochromatique). Le matériau semi-conducteur utilisé détermine la longueur d’onde et
ainsi la couleur de la lumière: rouge, verte, jaune ou bleue. Pour produire une lumière blanche,
le rayonnement monochromatique est soit converti par un produit luminescent (phosphorisa-
tion), soit mélangé par addition selon le principe RVB.
Lumière LED blanche par conversion de luminescence
Actuellement, le meilleur procédé se base sur le principe de la conversion de luminescence,
également utilisé dans les lampes fluorescentes. Avec cette méthode, une très fine couche de
phosphore est déposée en phase vapeur au-dessus d’une puce LED bleue. Une partie de la
lumière bleue est ainsi convertie en lumière blanche à travers le phosphore jaune.
La lumière LED blanche est généralement produite selon le principe de la conversion
de luminescence:
Lumière blanche Couche de conversion
Couche luminescente
Lumière bleue
Puce LED
Une très fine couche de phosphore jaune est déposée au-dessus d’une puce LED bleue.
Elle convertit la lumière bleue en lumière blanche.
La concentration et la composition chimique du produit luminescent doivent être mesurées très
précisément pour obtenir la couleur de lumière souhaitée. La température de couleur indique
si une LED émet une lumière chaude ou plutôt froide. D’une manière générale, plus la tempé-
rature de couleur est élevée, plus la lumière est froide. Une température de couleur de 2’700
à 3’000 kelvins (K) désigne une lumière blanche chaude; au-dessus de 3’300 K, la lumière est
dite blanche neutre, et à partir de 5’300 K, la lumière émise équivaut à la lumière du jour. La
lumière d’une lampe à incandescence usuelle a une température de 2’700 K.
8
Spectre des LED
1
0,8
0,6
Watts
0,4
0,2
0
380 430 480 530 530 630 680 730
Nanomètres
Le procédé de conversion de luminescence permet de déterminer précisément la couleur de
la lumière, dont l’homogénéité est assurée par binning. Autres avantages: des flux lumineux re-
lativement élevés et un bon rendu des couleurs, jusqu’à Ra 90.
Le rendu des couleurs d’une lumière blanche chaude (2’700 à 3’300 K) est souvent meilleur
que celui des LED de température neutre ou équivalant à la lumière du jour. Mais l’efficacité
des puces LED blanc chaud est généralement plus faible. Inversement, les LED dont la couleur
est plus froide sont en principe plus efficaces, mais leur rendu des couleurs est un peu moins
concluant. Une bonne solution consiste à mélanger des LED de différentes couleurs de lumière.
On obtient ainsi d’excellents rendus des couleurs et une efficacité élevée.
Lumière LED blanche par mélange RVB (mélange additif)
Il est possible aussi de produire une lumière LED blanche en mélangeant des lumières colorées
de différentes longueurs d’onde. Ce mélange dit additif de rouge, de vert et de bleu (RVB) peut
générer des millions de nuances, dont la lumière blanche. Les solutions RVB se prêtent bien à
des éclairages dynamiques, par ex. pour la mise en scène de façades.
Pour produire une lumière blanche par mélange RVB, il faut commander les LED colorées avec
une grande précision. Et le rendu des couleurs de la lumière blanche avec Ra 70 à 80 est de
moins bonne qualité qu’avec le procédé par conversion de luminescence.
Les systèmes d’éclairage dynamiques, avec lesquels la lumière peut varier en intensité et en
température de couleur, soutiennent notre rythme biologique. A l’image de la lumière du jour,
des luminaires et des commandes intelligents permettent de faire varier la lumière du blanc
chaud au blanc froid. Cette technologie est judicieuse par exemple pour l’éclairage de bureaux
ou des écoles, car l’adaptation de l’ambiance lumineuse exerce une influence positive sur le
bien-être et les aptitudes des gens.
Pour ces applications, les nouvelles technologies combinent des puces colorées et des LED
blanches. Cela permet de produire une lumière blanche modifiable dynamiquement avec un
bon rendu des couleurs. La commande est assurée par une gestion d’éclairage électronique.
9
Binning
La qualité des LED est définie entre autres par le processus de tri appelé binning. Lors de la
production industrielle de puces LED, des écarts interviennent toujours au sein des différents
lots, de sorte que les caractéristiques de luminosité peuvent varier aux niveaux de la couleur et
de la luminance. Afin d’obtenir une qualité de lumière constante au même niveau de luminosi-
té et avec la même couleur de lumière, il faut trier les LED d’un lot en fonction de ces caracté-
ristiques. Les LED sont alors répartis dans des «bins» (anglais: «récipients»). Ce processus, le
binning, est spécialement important pour les LED blanches.
Les principaux critères de tri lors du binning sont les suivants:
Flux lumineux (lm)
Température de couleur (kelvins)
Chromaticité
Tension en sens direct (volts)
Tri selon ANSI et MacAdams
Aujourd’hui, les LED sont triées selon la norme ANSI (American National Standards Institute).
Celle-ci définit les écarts des valeurs de couleur à l’aide des ellipses de MacAdams. La dési-
gnation de l’ellipse de MacAdams donne à l’utilisateur une référence pour la mesure de la va-
riabilité des différents modules LED, par ex. en termes de perception des couleurs. C’est très
important pour obtenir une image d’ensemble homogène et cohérente.
Source: Foto von Tyler Nienhouse Dans la théorie, on parle d’une MacAdams dès qu’une différence visuelle de couleur est percep-
tible. Comme ces mesures de laboratoire n’ont aucun effet visible dans des conditions d’éclai-
rage normales, par ex. au niveau des réflexions sur des surfaces colorées, trois ellipses Mac
Adams équivalent déjà à un très haut niveau de qualité.
2700 K
3000 K
3500 K
4000 K
Ellipses de MacAdams
10Un courant constant protège les LED
Des conditions d’exploitation optimales sont importantes pour maximiser la durée de vie des
LED. Il faut pour cela assurer la régulation précise et constante du courant. Les diodes présen-
tent une courbe caractéristique courant-tension exponentielle. De petites variations de la ten-
sion peuvent détruire les puces LED. Les LED ne devraient donc jamais être connectées direc-
tement à une source de tension – elles doivent être exploitées via un convertisseur.
Efficacité
Le flux lumineux désigne la lumière effectivement émise par le luminaire. L’efficacité est indiquée
en lumens par watt (lm/ W). Elle représente le rapport entre le flux lumineux et la puissance fournie.
Toutefois, la mesure de l’énergie effectivement économisée par un éclairage LED dépend non
seulement de l’efficacité lumineuse des diodes utilisées, mais aussi et surtout:
de l’interaction entre les instruments optiques et les appareils,
du guidage de la lumière dans le luminaire, et
des conditions ambiantes.
Durée de vie
Les luminaires LED et les modules LED offrent généralement une durée de vie de 50’000 heures
et plus. En comparaison, une lampe halogène fonctionne en moyenne 2’000 heures, une lampe
fluorescente sur ballast électronique dure quelque 20’000 heures. En pratique, un luminaire LED
en service durant 11 heures par jour pendant 250 jours (de travail) par an tient environ 18 ans.
De quoi épargner les frais engendrés par l’entretien et le remplacement des sources lumineuses.
Les sources lumineuses LED dites rétrofit ne possèdent qu’une durée de vie plus limitée en
raison de leur construction défavorable aux diodes. Mais elles constituent aussi un bon choix
à cet égard, avec une durée de vie moyenne de l’ordre de 25’000 heures. A la différence des
sources lumineuses conventionnelles, les LED sont rarement défectueuses. En revanche, leur
luminosité s’estompe lentement, notamment parce que le cristal semi-conducteur présente un
nombre croissant d’impuretés. Ce vieillissement (ou cette dégradation) est influencé par les fac-
teurs suivants:
Température de service
Température ambiante
Alimentation en courant constant
Type de semi-conducteur
Détérioration des systèmes optiques
Température et gestion thermique
La température affecte l’efficacité des luminaires et sources lumineuses LED. Comme toutes
les sources de lumière, les LED produisent de la chaleur. Mais, à la différence des sources lu-
mineuses conventionnelles, leur chaleur est émise vers l’arrière. Une évacuation optimale de la
chaleur – la gestion thermique – est essentielle pour donner des indications fiables sur la durée
de vie et l’efficacité lumineuse. Ici, la chaleur est évacuée via la platine et le boîtier (refroidisse-
ment passif). Une liaison solide et de grande surface entre le circuit imprimé et le boîtier favo-
rise l’évacuation de la chaleur. De nombreux modèles de luminaires sont dotés de surfaces à
grandes rainures qui réduisent la température, d’autres types misent sur l’air ou l’eau pour re-
froidir l’ensemble activement. Le lien thermique entre la platine et le radiateur est décisif pour
le bon fonctionnement de la gestion thermique. Vous pouvez ainsi distinguer les luminaires de
qualité des produits bon marché. Pour garantir une exploitation optimale, observez aussi les
indications du fabricant sur les températures limites de service du convertisseur.
11Comportement des LED en fonction de la température
La qualité d’un module LED est déterminée notamment par le taux de défaillance et la baisse
du flux lumineux pendant la durée de vie. Une LED se compose de deux éléments de base:
la puce (LED dice) et la couche de phosphore. Les deux sont très sensibles à la température.
Plus celle-ci est élevée, moins la LED est efficace et plus sa couleur varie.
Pendant leur durée de vie, les modules LED perdent leur intensité lumineuse en raison de varia-
tions physico-chimiques. Ce processus (dégradation) est désigné par la lettre L et atteint usuel-
lement quelque 30 %. Ainsi, après 50 000 heures, 70 % du flux lumineux initial sont maintenus
(L70). La valeur B est directement liée à la valeur L – elle indique le pourcentage des modules
pouvant ne pas atteindre la valeur L. B50 est une indication fréquente. Ici, 50 % des modules
peuvent fournir une valeur inférieure à L70 après 50 000 heures. Quelques dizaines de milliers
d’heures d’utilisation sont possibles au-delà de la durée de vie L70, jusqu’à ce que la LED de-
vienne inutilisable.
Le taux de défaillance usuel des modules LED est de l’ordre de 0,2 % en 1000 heures. Autre-
ment dit, après 50 000 heures, on admet une défaillance max. de 10 % des modules. Ce taux
est désigné par la lettre C. En associant les valeurs C et B, on obtient F, qui traduit les effets du
vieillissement et de la défaillance totale d’un module LED.
L’exemple suivant indique les incidences de la température sur la durée de vie et le flux
lumineux d’une LED (spot de 2000 lm):
SLE G4 15 mm 2000 lm 8x0 ADVANCED
Mode de Tempéra- L90 / F10 L90 / F50 L80 / F10 L80 / F50 L70 / F10 L70 / F50
fonctionne- ture pt
ment
65 ºC 55’000 h > 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h
HE 75 ºC 41’000 h > 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h
85 ºC 31’000 h 47’000 h > 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h
65 ºC 49’000 h > 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h
NM 75 ºC 36’000 h 54’000 h > 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h
85 ºC 27’000 h 41’000 h 58’000 h > 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h
65 ºC 40’000 h ≥ 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h
HO 75 ºC 30’000 h 44’000 h > 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h
85 ºC 22’000 h 33’000 h 47’000 h > 60’000 h > 60’000 h > 60’000 h
HE = High Effiziency; NM = Nominal;
HO = High Output, analogue aux désignations des tubes fluorescents;
Température pt = point de température sur la platine
Récapitulation
L70/B50: baisse du flux lumineux de 30 % / 50 % des LED peuvent ne pas atteindre
L70
L70/C10: baisse du flux lumineux de 30 % / taux de défaillance de 10 %
L70/F10: baisse du flux lumineux de 30 % / 10 % au-dessous de L70 ou défaillants
Lors de l’utilisation de luminaires LED, observez les indications du fabricant sur la perte de flux
lumineux et le taux de défaillance. Plus la qualité des LED est élevée, moins vous aurez de ré-
clamations et d’effets lumineux indésirables.
12Le flux lumineux en lumen (lm) dépend du courant de l’appareil d’exploitation (pilote). Les cou-
rants de commandes usuels sont 350 / 500 / 700 / 1050 mA. Plus le courant est élevé, plus le
flux lumineux est puissant. Le flux lumineux dépend aussi de la couleur de lumière. Plus la lu-
mière est froide (haute température de lumière, par ex. 6500 K), plus le flux lumineux est puissant.
La clé de la qualité d’éclairage
Le code photométrique définit la qualité de lumière des luminaires LED. Les six chiffres indiquent
le rendu et la température des couleurs, l’ellipse de MacAdams initiale et après 25 % de la du-
rée d’exploitation ainsi que le flux lumineux après 25 % de cette durée. Les ellipses de Mac
Adams désignent la variabilité des couleurs perçues. Jusqu’à trois ellipses de MacAdams, l’ef-
fet est pratiquement imperceptible. Les écarts plus prononcés deviennent visibles et peuvent
s’accentuer avec le temps.
Composition du code photométrique, par ex. 830/349
2e et 3e
1re position 4e position 5e position 6e position
positions
Flux lumineux après 25 %
de la durée d’exploitation
Code CRI MacAdams (max. 6000 h)
Température après 25 % Flux
MacAdams Code
de couleur en de ladurée lumineux
initiale
kelvins x 100 d’exploitation
7 67 – 76 (max. 6000 h) 7 ≥ 70 %
8 77 – 86 8 ≥ 80 %
9 87 – ≥ 90 9 ≥ 90 %
100
L90 à 60’000 h
90
Flux lumineux relatif en %
80 L80 à 50’000 h
70 L70 à 50’000 h
50
0
0 10’000 20’000 30’000 40’000 50’000 60’000
Durée d’exploitation en heures
Présentation simplifiée
Présentation schématique de l’évolution du flux lumineux pendant la durée d’exploitation
Source: directive ZVEI «Planungssicherheit in der LED-Beleuchtung»
13Check-list pour le choix de luminaires
Observez les paramètres suivants lors du choix de luminaires et de sources lumineuses:
Puissance nominale des luminaires P en watts
Cette valeur est utilisée pour la planification de la consommation d’énergie des lumi-
naires et indique la puissance absorbée de l’ensemble des composants intégrés dans
les luminaires et nécessaires à leur exploitation (appareil d’exploitation compris).
Flux lumineux nominal des luminaires v (en lm)
Le flux lumineux nominal d’un luminaire désigne la puissance globale de son rayon-
nement dans le spectre visible et dans toutes les directions. Il se réfère toujours à la
valeur initiale du flux lumineux émis par le semi-conducteur de la source lumineuse
du luminaire dans des conditions d’utilisation données. Sauf indication contraire, la
valeur du flux lumineux du luminaire entier correspond à celle d’une température am-
biante de 25 °C.
Efficacité lumineuse des luminaires v (en lm/W)
L’efficacité lumineuse des luminaires est exprimée par le quotient du flux lumineux in-
diqué et de la puissance électrique absorbée.
Répartition d’intensité lumineuse des luminaires
La répartition spatiale de l’intensité d’une source de lumière est décrite par la courbe
de répartition d’intensité lumineuse. Des coupes verticales de ces courbes composent
des couches C définies par leurs coordonnées polaires. On peut y consulter les va-
leurs de l’intensité lumineuse dans des conditions d’utilisation normalisées des lumi-
naires. Leur unité est la candela (cd).
Qualité de couleur
La qualité de couleur de la lumière blanche est caractérisée par les propriétés sui-
vantes:
− Couleur de lumière, décrite par la température T la plus proche en kelvins (K)
− Rendu des couleurs, décrit par l’indice de rendu des couleurs Ra
− Tolérance de couleur, décrite par les ellipses de MacAdams et le binning
Température ambiante nominale
Le comportement d’un luminaire et d’une source de lumière est aussi influencé par la
température ambiante. Cette valeur fixe la température ambiante maximale à laquelle
le luminaire peut être exploité en respectant tous les paramètres pertinents pour la
sécurité. Pour une valeur de ta = 25 °C, aucune indication n’est nécessaire sur le lu-
minaire – seules les valeurs divergentes doivent être signalées.
Critères affectant la durée de vie des luminaires et lampes LED
Luminaires LED − Durée de vie nominale Lx
Période prédéfinie pendant laquelle le flux lumineux recule à une part x du flux lu-
mineux initial.
Dégradation du Défaillance
flux lumineux totale − Dépréciation du flux lumineux By
(L xBy) (L0Cz) Indique la part des luminaires/lampes LED qui n’atteindront plus le flux lumineux visé
(x de Lx) au terme de la durée de vie définie; critère selon ZVEI: B50.
Critères de durée de vie des luminaires LED. − Défaillances totales Cz
Source: directive du ZVEI «Sécurité de Part des luminaires/lampes LED en défaillance totale au terme de la durée de vie
planification dans l’éclairage LED» nominale Lx.
14Etat neuf Graduelle L x By Abrupte L0 Cz
ou
Luminaire LED Dégradation du flux Défaillance totale
100 % lumineux du luminaire LED du luminaire LED
Illustration de la défaillance d’un luminaire (état neuf, dégradation et défaillance totale).
Source: directive du ZVEI «Sécurité de planification dans l’éclairage LED»
2.7 Technique conventionnelle ou LED?
Aujourd’hui, l’utilisation de sources lumineuses et de luminaires LED est pertinente pour de nom-
breuses applications. Mais en dépit de la publicité fréquente des LED, les techniques conven-
tionnelles conservent leur justification. Plus encore: pour certaines applications, l’utilisation de
LED est contre-indiquée, car trop onéreuse.
Les lampes fluorescentes et les lampes aux halogénures métalliques sont, avec les LED, les
sources lumineuses les plus efficaces. La lampe fluorescente en forme de tube est prédes-
tinée à l’éclairage général, diffus et homogène. La source de lumière ponctuelle de la lampe
aux halogénures métalliques reste très demandée en raison de la forte brillance de sa lumière.
Mais elle n’est pas variable et nécessite un certain temps pour déployer toute sa luminance.
Comparatif de l’efficacité des sources lumineuses
Lampe halogène bas voltage, QT 12, 75 W 20 lm/W
Lampe fluorescente compacte TC-D, 18 W, 840 67 lm/W
Lampe fluorescente compacte TC-L, 55 W, 840 87 lm/W
Lampe fluorescente T16 35 W, 840 (à 35 °C) 103 lm/W
Lampe à halogénures métalliques HIT, 35 W, 930 104 lm/W
LED rétrofit 5 W env. 50 lm/W
Module LED env. 99 lm/W
Comparatif de l’efficacité des luminaires (avec ballast électronique)
Downlight avec TC-DEL 18 W, 840 39 lm/W Rendement 66 %
Plafonnier encastré avec TC-L 55 W, 840 62 lm/W Rendement 79 %
Plafonnier encastré avec T16 35 W, 840 67 lm/W Rendement 72 %
Downlight avec LED 25 W, 940 105 lm/W Rendement 97 %
Plafonnier encastré avec LED 44 W, 840 85 lm/W Rendement 100 %
La comparaison montre que l’efficacité des luminaires LED est meilleure que celle des lumi-
naires conventionnels en raison de leur rendement plus élevé.
Les sources lumineuses LED présentent généralement des valeurs de luminance plus élevées
que les lampes fluorescentes. En cas d’échange de sources lumineuses, il faut vérifier aussi
les effets d’éblouissement et l’effet lumineux.
153.0 Applications LED
3.1 Où l’utilisation des LED est-elle pertinente?
Aujourd’hui, l’utilisation de sources lumineuses et de luminaires LED est pertinente pour de nom-
breuses applications. Mais en dépit de la publicité fréquente des LED, les techniques conven-
tionnelles conservent leur justification. Plus encore: pour certaines applications, l’utilisation de
LED est contre-indiquée, car trop onéreuse.
Les lampes fluorescentes et les lampes aux halogénures métalliques sont, avec les LED, les
sources lumineuses les plus efficaces. La lampe fluorescente en forme de tube est prédes-
tinée à l’éclairage général, diffus et homogène. La source de lumière ponctuelle de la lampe
aux halogénures métalliques reste très demandée en raison de la forte brillance de sa lumière.
Mais elle n’est pas variable et nécessite un certain temps pour déployer toute sa luminance.
Examinez donc les besoins de vos clients avec attention afin de trouver le système d’éclairage
permettant d’optimiser la qualité et l’efficacité.
L’utilisation de LED est pertinente dans des applications très diverses:
Pour l’éclairage de points de vente: les LED brillent ici par leur très bon rendu des
couleurs. Les matériaux apparaissent sous leurs vraies couleurs. Comme les LED
émettent leur chaleur à l’arrière, les marchandises en sont moins affectées, ce qui in-
fluence positivement la climatisation et crée une atmosphère agréable. La lumière LED
est sans rayonnement UV, de sorte que les marchandises ne se décolorent pas.
Pour l’éclairage des musées: des intensités lumineuses élevées endommagent des
objets sensibles. La faible puissance des luminaires LED et leur très faible rayonne-
ment IR permettent de ménager les objets d’art.
Pour les bureaux et les écoles: la source de lumière ponctuelle peut produire un
éclairage de grande surface sans éblouissement grâce à des systèmes optiques ap-
propriés. Ici aussi, la grande efficacité, la longue durée de vie et le très bon rendu des
couleurs constituent des avantages importants.
Pour l’éclairage extérieur: les luminaires LED conviennent pour l’accentuation de fa-
çades et pour l’éclairage publicitaire. Aux endroits difficiles d’accès, ils convainquent
par un entretien minimal. En outre, les basses températures exercent une influence
positive sur leur durée de vie.
Pour l’éclairage d’accentuation coloré: les LED dominent clairement partout où il
faut produire efficacement une lumière colorée. En effet, elles se passent de tout filtre
coloré qui amoindrit le flux lumineux et compromet ainsi l’efficacité.
L’éclairage de secours est un champ d’application typique pour les luminaires LED.
Leur allumage immédiat, leur lumière sans scintillement et leur faible consommation
d’énergie les prédestinent à de telles utilisations. Il en va de même pour l’intégration
avec des détecteurs de mouvement.
L’utilisation de luminaires LED dans l’industrie, pour l’éclairage des routes et des installations spor-
tives doit être examinée au cas par cas. Lorsque les luminaires sont très élevés, il faut comparer
les coûts et l’efficacité des solutions LED avec les techniques conventionnelles. Pour une argu-
mentation compétente, nous recommandons les calculs de rentabilité proposés par de nombreux
fabricants et planificateurs d’éclairage. On ne peut émettre un conseil fiable qu’en tenant compte
de tous les facteurs d’influence. Au-delà des coûts d’investissement d’un éclairage, il faut évaluer
la consommation d’énergie, la durée de vie ainsi que les frais d’entretien et de personnel.
163.2 Calcul du potentiel d’économie d’éclairage
Objet/client Electro-Matériel SA
Date 07.10.2013
Auteur M. Modèle
Frais d’électricité par kW/h 0.15 CHF / kWh
Durée d’éclairage par jour, en h 10 Heures
Jours par semaine 5 Jours
Jours par mois 22 Jours
Heures de service par an 2'640 Heures / an
Frais d’entretien / de remplacement 90.— CHF / heure
Durée de l’entretien / du remplacement 5 Minutes / pce
Lumineuse Nouvelle sour-
actuelle; ce lumineuse;
Type: Halogène Type: LED
Puissance connectée de la source lumineuse 60 Watts 5.5 Watts
Nombre de sources lumineuses 20 Pcs 20 Pcs
Coût unitaire de sources lumineuses 8.— CHF 39.50 CHF
Intervalle d’entretien (durée de vie) des nouvelles sources lumineuses 3’000 Heures 50’000 Heures
Frais d’électricité par an (CHF / an) 475.20 CHF 43.56 CHF
Return-On-Invest (ROI)
Lumineuse actuelle; Nouvelle source lumineuse;
Type: Halogène Type: LED
Total Total
Frais d’électricité par an 475.20 CHF 475.20 CHF 43.56 CHF 43.56 CHF
Coût des lampes 160.— CHF 790.— CHF
Heures / an 2'640 2'640
Coût unitaire 8.— CHF 39.50 CHF
Nombre 20 20
Nouvelle fixation 0 0
Frais de transformation 0.— CHF 0.— CHF
Entretien 132.— CHF 7.92 CHF
Lampes de remplacement env. 18 Pcs 140.80 CHF env. 1 pce 41.71 CHF
Total 908.— CHF 883.19 CHF
Economies
Frais d’électricité 431.64 CHF
Frais d’entretien 124.08 CHF
Total 555.72 CHF
Investissements
Lampes à économie d’énergie 790.— CHF
Frais de transformation 0.— CHF
Total 790.— CHF
ROI en 17.1 mois (en cas d’utilisation de nouvelles sources lumineuses: «LED»)
173.3 Sources lumineuses LED
Les sources lumineuses LED rétrofit remplacent les sources lumineuses conventionnelles sans
changement de luminaire. En effet, elles sont dotées de culot à vis ou de culot enfichable.
L’alimentation et le radiateur sont intégrés dans la source lumineuse. Les sources lumineuses
LED sont disponibles en de nombreuses variantes et couleurs de lumière, elles se distinguent
par une grande efficacité énergétique et un bon rendu des couleurs. Selon le système, elles
peuvent aussi être variables.
Les lampes LED en forme d’ampoules
classiques avec culot E14 ou E27 rem- Le remplacement de lampes fluorescentes par des lampes LED rétrofit doit être examiné
placent les lampes à incandescence plus en détail. La modification du flux lumineux et de la géométrie du rayonnement affecte la
conventionnelles. Avec différents culots luminosité et l’homogénéité. Un spécialiste doit en outre déterminer si et dans quelle mesure
enfichables, elles constituent une solution les ballasts doivent être échangés.
de rechange efficace pour les lampes à
incandescence et halogènes. Les sources lumineuses LED n’atteignent pas les performances de systèmes LED complets,
car les luminaires existants ne sont pas optimisés pour l’utilisation des LED et la gestion ther-
mique nécessaire des rétrofits doit être assurée dans un espace restreint à l’intérieur de la lampe.
Elles constituent tout de même un bon choix pour le domaine domestique ou les petits bureaux
en termes d’économie d’énergie: une source lumineuse LED blanche chaude de 8 watts tient
quelque 25000 heures, soit près de 25 ans à raison de trois heures par jour. Ici, les sources
lumineuses LED surpassent même les lampes à économie d’énergie.
Il existe des sources lumineuses LED en diverses teintes de blanc et en versions colorées.
3.4 Luminaires LED
La LED est une source de lumière efficace tant pour l’éclairage d’accentuation que pour l’éclai-
rage général. Dans l’éclairage professionnel, les LED sont équipées de systèmes optiques adap-
tés à l’application souhaitée. La lumière ponctuelle peut ainsi être diffusée sans effet d’éblouis-
sement. Les sources lumineuses LED rétrofit sont essentiellement utilisées dans l’éclairage
En remplaçant par exemple une an- décoratif, donc dans le secteur domestique.
cienne ampoule à incandescence de
60 watts (entretemps retirée du mar- Les fabricants de luminaires proposent différents produits pour l’éclairage d’accentuation, tels
ché) par une lampe LED de 11 ou 12 que les projecteurs, les downlights encastrés et les systèmes modulaires, par ex. pour l’éclai-
watts, on économise 80 % d’énergie – rage d’étagères. Les luminaires pour l’éclairage général comprennent les downlights, les lumi-
et les frais d’électricité correspondants. naires encastrés, les plafonniers et suspensions, les luminaires sur pied et les appliques, les
chemins lumineux et les luminaires extérieurs.
L’éclairage de sécurité constitue un champ d’application important pour les luminaires LED.
Les luminaires LED sont différenciés en fonction de leur commande. Les systèmes suivants
sont disponibles:
Luminaires / sources lumineuses commandés en tension
Luminaires / sources lumineuses commandés en courant
Luminaires / sources lumineuses tension réseau
183.5 Luminaires / sources lumineuses commandés en tension
Le nombre de luminaires par appareil d’exploitation dépend de la puissance totale. Ils sont gé-
néralement alimentés en 10, 12 ou 24 V. Les luminaires commandés en tension sont montés
en parallèle. Ces luminaires sont essentiellement utilisés dans le domaine décoratif. Veuillez
observer les indications du fabricant concernant les longueurs maximales des lignes par rap-
port à la section du conducteur.
120 – 240 VAC
L
N
U constante
+ U in TALEXX converter + +
- U in LCU … - -
+
P = U x I (puissance = tension x intensité) -
U = P/ I I variable
I = P/ U
3.6 Luminaires / sources lumineuses commandés en courant
Le nombre de LED commandées en courant par appareil d’exploitation dépend du wattage et
de la tension mis à disposition par cet appareil. L’efficacité est plus élevée que celle des LED
commandées en tension. Elles sont généralement alimentées en courant constant de 350 mA,
500 mA ou 700 mA etc. Ces luminaires sont montés en série. Observez les indications du
fabricant en matière de tension de sortie pour assurer la sécurité des personnes. Selon le conver-
tisseur, des tensions supérieures à la limite SELV de 50 V peuvent apparaître. Les longueurs
maximales de lignes sont plus importantes que celles des luminaires commandés en tension.
120 – 240 VAC
L
N
U variable
+ U in TALEXX converter +
- U in LCI … -
I constante
P = U x I (puissance = tension x intensité)
U = P/ I
I = P/ U
193.7 Luminaires / sources lumineuses tension réseau
Ces luminaires sont faciles à installer. Ils ne sont en principe pas variables, à l’exception des
modèles avec une entrée de commande séparée.
SELV
L’abréviation SELV signifie Safety Extra Low Voltage (très basse tension de sécurité, TBTS). Les
luminaires LED alimentés en tension constante se situent généralement dans les limites SELV
(les luminaires AC directement branchés sur le secteur font ici exception).
Outre le respect de la limite de tension légale, la condition essentielle du SELV est un convertis-
seur avec une séparation galvanique à l’entrée. Le côté de la charge doit être protégé du sec-
teur par une isolation double ou renforcée.
A observer pour SELV:
Jusqu’à 50 V AC RMS et 120 V DC (contact impossible) > limite supérieure du SELV
P
Jusqu’à 25 V AC RMS et 60 V DC (contact possible) > milieu sec – sans isolation ou
protection de contact
N
Jusqu’à 12 V AC RMS et 30 V DC (contact possible) > milieu humide – aucune protection
n’est nécessaire en dessous de ces valeurs
25 W @ 350 mA (2-74 V) 15 x 3.5 V = 52.5 V 33.7 V + 33.7 V + 33.7 V + 33.7 V
350 mA
SELV Non-SELV 135 V
25 W @ 350 mA (2-74 V) 20 x 3.5 V = 70 V
1400 mA
4 x 350 mA
SELV
SELV
Isolation / protection contre 33.7 V
les contacts accidentels
Hors du domaine SELV, resp. à > 60V DC SELV, la LED doit être Exploitation de plusieurs modules avec une même alimentation (SELV)
protégée de tout contact.
203.8 Projets
L’initiative EM ecowin: nouvelles
sources lumineuses offrant un
grand potentiel d’économie au
Kornhauskeller de Berne
La demande d’efficacité énergétique et de durabilité ne s’arrête pas au marché de l’installation
électrique. Le secteur de l’éclairage recèle notamment un considérable potentiel de réduction
de la consommation d’énergie et ainsi des coûts à l’aide de technologies efficaces. Electro-
Matériel SA a lancé l’initiative EM ecowin en mai 2014. EM émet ainsi un signal puissant en
faveur de mesures d’économie d’énergie efficaces au moyen de subventions annuelles d’un
million de francs. L’initiative encourage les appareils et projets efficaces en énergie.
Le projet suivant montre qu’il en vaut la peine de réfléchir à la consommation d’énergie. Le
maître d’ouvrage reçoit une aide pour chaque kilowattheure économisé. Même de petits pro-
jets d’assainissement peuvent ainsi être amortis rapidement.
Le Kornhauskeller de Berne abrite un restaurant, un café et un bar dans une atmosphère
unique. Le concept d’éclairage est dominé par des lustres à couronne mettant en valeur l’ar-
chitecture du XVIIIe siècle. Des lampadaires et un éclairage d’accentuation ajoutent des am-
biances lumineuses ponctuelles et éclairent les peintures murales.
Auparavant, l’éclairage était assuré par des lampes à incandescence et halogènes, de forts
émetteurs de chaleur consommant beaucoup d’énergie. L’exploitant du Kornhauskeller a
décidé de passer à des sources lumineuses LED. Le bilan énergétique est étonnant: là où
des lampes à incandescence consommaient 40 W la pièce, il suffit aujourd’hui de 8 W par
source lumineuse LED. Pour 365 jours par an et 13 heures par jour, l’économie de consom-
mation d’énergie engendrée par le passage à la technologie LED peut atteindre environ 80 %.
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