LED expliquée simplement. La technologie LED le savoir-faire théorique et pratique

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1 LED expliquée simplement La technologie LED le savoir-faire théorique et pratique

2 Contenu Chapitre Page 1.0 Introduction LED qu est-ce que c est? Pourquoi des LED? Technologie LED La fabrication Couche chargée négativement Types de LED Types de montage de LED Avantages de la technologie LED Critères de qualité Technique conventionnelle ou LED? Applications LED Où l utilisation des LED est-elle pertinente? Calcul du potentiel d économie d éclairage Sources lumineuses LED Luminaires LED Luminaires / sources lumineuses commandés en tension Luminaires / sources lumineuses commandés en courant Luminaires / sources lumineuses tension réseau Exemple de projet sur le thème rétrofit Planification LED et installation De l éclairage conventionnel aux LED Planification d une installation LED Variabilité des LED Encastrement et montage de luminaires LED Elektro-Material SA et Elevite Nouvelles technologies Perspectives des OLED Technologie LCC FAQ Lexique 38 2

3 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 bienêtre. 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 Il existe des LED blanches depuis le milieu des années 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 compétences 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 éclairage 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 énergie 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 cohérente 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

4 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. Fabrication Les installations modernes assurent une production rapide et en grandes quantités de matériaux semi-conducteurs. Un wafer permet de produire des centaines de puces LED. La matière première des LED est constituée de cristaux semi-conducteurs disposés en plaques appelées wafers puis découpés en chips, ou puces. Les diodes électroluminescentes se composent d un semi-conducteur de base négatif présentant un excédent d électrons. Puis s ajoute une très fine couche semi-conductrice positive présentant un manque d électrons on parle ici de «trous». Placés sous tension, les électrons excédentaires et les «trous» se réunissent et se combinent pour former la «couche barrière». L énergie libérée est alors transformée en lumière et en chaleur dans le cristal semi-conducteur. Même les installations les plus modernes ne parviennent pas à conférer les mêmes caractéristiques de flux lumineux et de chromaticité à toutes les zones du wafer. La sélection, le «binning», 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 Support / boîtier Colle conductrice ou soudage Circuit imprimé Brasure (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

5 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 suffi t. L énergie libérée est convertie en rayonnement dans le cristal semi-conducteur. Des réfl ecteurs 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 victorieuse des LED a débuté avec les LED fi laires 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 généralement 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 Superfl ux sont souvent utilisées dans la construction automobile. 5

6 2.4 Types de montage de LED La L E Dfi la ir e (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 fi laire 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 défi nit 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 fi laire, 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 Connexion Puce Boîtier Puce LED + Couche fenêtre Couche dopée P LED SMD Couche active (production de 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 spécifi ques des clients. Il existe des modules LED linéaires, souples et plats. 6

7 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. Modules LED linéaires 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 permettent 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 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. Modules LED souples 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 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. Les LED sont résistantes aux chocs et aux vibrations. Cet aspect est surtout intéressant pour les applications industrielles, l éclairage des routes et les appareils mobiles. Les LED produisent une lumière sans scintillement, sont variables en continu et commutables à volonté. Des appareils de commande spéciaux permettent de modifier la température de couleur 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. Modules LED plats 7

8 2.6 Critères de qualité Il y a LED et LED. Pour comparer la qualité des luminaires et sources lumineuses LED, il faut intégrer 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 (phosphorisation), 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 luminescente Puce LED Couche de conversion Lumière bleue 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 température de couleur est élevée, plus la lumière est froide. Une température de couleur de à kelvins (K) désigne une lumière blanche chaude; au-dessus de K, la lumière est dite blanche neutre, et à partir de K, la lumière émise équivaut à la lumière du jour. La lumière d une lampe à incandescence usuelle a une température de K. 8

9 Spectre des LED 1 0,8 Watts 0,6 0,4 0, 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 relativement élevés et un bon rendu des couleurs, jusqu à Ra 90. Le rendu des couleurs d une lumière blanche chaude (2 700 à 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

10 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 luminosité et avec la même couleur de lumière, il faut trier les LED d un lot en fonction de ces caractéristiques. 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 désignation de l ellipse de MacAdams donne à l utilisateur une référence pour la mesure de la variabilité 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 perceptible. Comme ces mesures de laboratoire n ont aucun effet visible dans des conditions d éclairage normales, par ex. au niveau des réflexions sur des surfaces colorées, trois ellipses Mac- Adams équivalent déjà à un très haut niveau de qualité K 3000 K 3500 K 4000 K Ellipses de MacAdams 10

11 Un 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 présentent une courbe caractéristique courant-tension exponentielle. De petites variations de la tension peuvent détruire les puces LED. Les LED ne devraient donc jamais être connectées directement 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 heures et plus. En comparaison, une lampe halogène fonctionne en moyenne heures, une lampe fluorescente sur ballast électronique dure quelque 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 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 facteurs 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 lumineuses 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 (refroidissement passif). Une liaison solide et de grande surface entre le circuit imprimé et le boîtier favorise 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 refroidir 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. 11

12 Comportement 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 variations physico-chimiques. Ce processus (dégradation) est désigné par la lettre L et atteint usuellement quelque 30 %. Ainsi, après 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 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 devienne inutilisable. Le taux de défaillance usuel des modules LED est de l ordre de 0,2 % en 1000 heures. Autrement dit, après 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 fonctionnement Température pt L90 / F10 L90 / F50 L80 / F10 L80 / F50 L70 / F10 L70 / F50 HE NM HO 65 ºC h > h > h > h > h > h 75 ºC h > h > h > h > h > h 85 ºC h h > h > h > h > h 65 ºC h > h > h > h > h > h 75 ºC h h > h > h > h > h 85 ºC h h h > h > h > h 65 ºC h h > h > h > h > h 75 ºC h h > h > h > h > h 85 ºC h h h > h > h > 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 réclamations et d effets lumineux indésirables. 12

13 Le flux lumineux en lumen (lm) dépend du courant de l appareil d exploitation (pilote). Les courants 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 lumière est froide (haute température de lumière, par ex 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 durée 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 effet est pratiquement imperceptible. Les écarts plus prononcés deviennent visibles et peuvent s accentuer avec le temps. Composition du code photométrique, par ex. 830/349 1 re position 2 e et 3 e positions 4 e position 5 e position 6 e position Code CRI MacAdams après 25 % de ladurée Flux lumineux après 25 % de la durée d exploitation (max h) Température MacAdams de couleur en Code initiale kelvins x 100 d exploitation % Flux lumineux (max h) % % Flux lumineux relatif en % L 80 à h L 70 à h L 90 à h Présentation simplifiée Durée d exploitation en heures Présentation schématique de l évolution du flux lumineux pendant la durée d exploitation Source: directive ZVEI «Planungssicherheit in der LED-Beleuchtung» 13

14 Check-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 luminaires 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 rayonnement 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 ambiante de 25 C. Efficacité lumineuse des luminaires v (en lm/w) L efficacité lumineuse des luminaires est exprimée par le quotient du flux lumineux indiqué 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 valeurs de l intensité lumineuse dans des conditions d utilisation normalisées des luminaires. Leur unité est la candela (cd). Qualité de couleur La qualité de couleur de la lumière blanche est caractérisée par les propriétés suivantes: 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 luminaire seules les valeurs divergentes doivent être signalées. Dégradation du flux lumineux (L x B y ) Luminaires LED Défaillance totale (L 0 C z ) Critères de durée de vie des luminaires LED. Source: directive du ZVEI «Sécurité de planification dans l éclairage LED» Critères affectant la durée de vie des luminaires et lampes LED Durée de vie nominale Lx Période prédéfinie pendant laquelle le flux lumineux recule à une part x du flux lumineux initial. Dépréciation du flux lumineux By 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. Défaillances totales Cz Part des luminaires/lampes LED en défaillance totale au terme de la durée de vie nominale Lx. 14

15 Etat neuf Graduelle L x B y Abrupte L 0 C z ou Luminaire LED 100 % Dégradation du flux lumineux du luminaire LED Défaillance totale 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 nombreuses applications. Mais en dépit de la publicité fréquente des LED, les techniques conventionnelles 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 prédestinée 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 Lampe fluorescente compacte TC-D, 18 W, 840 Lampe fluorescente compacte TC-L, 55 W, 840 Lampe fluorescente T16 35 W, 840 (à 35 C) Lampe à halogénures métalliques HIT, 35 W, 930 LED rétrofit 5 W Module LED 20 lm/w 67 lm/w 87 lm/w 103 lm/w 104 lm/w env. 50 lm/w env. 99 lm/w Comparatif de l efficacité des luminaires (avec ballast électronique) Downlight avec TC-DEL 18 W, lm/w Rendement 66 % Plafonnier encastré avec TC-L 55 W, lm/w Rendement 79 % Plafonnier encastré avec T16 35 W, lm/w Rendement 72 % Downlight avec LED 25 W, lm/w Rendement 97 % Plafonnier encastré avec LED 44 W, lm/w Rendement 100 % La comparaison montre que l efficacité des luminaires LED est meilleure que celle des luminaires 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. 15

16 3.0 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 nombreuses applications. Mais en dépit de la publicité fréquente des LED, les techniques conventionnelles 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 prédestinée 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 influence 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 rayonnement 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 appropriés. 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 façades 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 sportives 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 argumentation 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. 16

17 3.2 Calcul du potentiel d économie d éclairage Objet/client Electro-Matériel SA Date 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 actuelle; Type: Halogène Nouvelle source lumineuse; 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 CHF Intervalle d entretien (durée de vie) des nouvelles sources lumineuses Heures Heures Frais d électricité par an (CHF / an) CHF CHF Return-On-Invest (ROI) Lumineuse actuelle; Type: Halogène Nouvelle source lumineuse; Type: LED Total Total Frais d électricité par an CHF CHF CHF CHF Coût des lampes 160. CHF 790. CHF Heures / an 2'640 2'640 Coût unitaire 8. CHF CHF Nombre Nouvelle fixation 0 0 Frais de transformation 0. CHF 0. CHF Entretien 132. CHF 7.92 CHF Lampes de remplacement env. 18 Pcs CHF env. 1 pce CHF Total 908. CHF CHF Economies Frais d électricité Frais d entretien Total Investissements Lampes à économie d énergie Frais de transformation Total ROI en 17.1 mois CHF CHF CHF 790. CHF 0. CHF 790. CHF (en cas d utilisation de nouvelles sources lumineuses: «LED») 17

18 3.3 Sources lumineuses LED Les lampes LED en forme d ampoules classiques avec culot E14 ou E27 remplacent les lampes à incandescence conventionnelles. Avec différents culots enfichables, elles constituent une solution de rechange efficace pour les lampes à incandescence et halogènes. 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. Le remplacement de lampes fluorescentes par des lampes LED rétrofit doit être examiné plus en détail. La modification du flux lumineux et de la géométrie du rayonnement affecte la luminosité et l homogénéité. Un spécialiste doit en outre déterminer si et dans quelle mesure les ballasts doivent être échangés. 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 thermique 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 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 En remplaçant par exemple une ancienne ampoule à incandescence de 60 watts (entretemps retirée du marché) par une lampe LED de 11 ou 12 watts, on économise 80 % d énergie et les frais d électricité correspondants. La LED est une source de lumière efficace tant pour l éclairage d accentuation que pour l éclairage général. Dans l éclairage professionnel, les LED sont équipées de systèmes optiques adaptés à l application souhaitée. La lumière ponctuelle peut ainsi être diffusée sans effet d éblouissement. Les sources lumineuses LED rétrofit sont essentiellement utilisées dans l éclairage décoratif, donc dans le secteur domestique. Les fabricants de luminaires proposent différents produits pour l éclairage d accentuation, tels que les projecteurs, les downlights encastrés et les systèmes modulaires, par ex. pour l éclairage d étagères. Les luminaires pour l éclairage général comprennent les downlights, les luminaires 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 18

19 3.5 Luminaires / sources lumineuses commandés en tension Le nombre de luminaires par appareil d exploitation dépend de la puissance totale. Ils sont généralement 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 rapport à la section du conducteur V AC L N U constante + U in TALEXX converter U in LCU - - P = U x I (puissance = tension x intensité) U = P/ I I = P/ U I variable 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 convertisseur, 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 V AC L N U variable + U in - U in TALEXX converter LCI + - I constante P = U x I (puissance = tension x intensité) U = P/ I I = P/ U 19

20 3.7 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 convertisseur avec une séparation galvanique à l entrée. Le côté de la charge doit être protégé du secteur 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 N Jusqu à 25 V AC RMS et 60 V DC (contact possible) > milieu sec sans isolation ou protection de contact Jusqu à 12 V AC RMS et 30 V DC (contact possible) > milieu humide aucune protection n est nécessaire en dessous de ces valeurs ma (2-74 V) SELV 15 x 3.5 V = 52.5 V 33.7 V V V V 350 ma Non-SELV 135 V ma (2-74 V) SELV 20 x 3.5 V = 70 V Isolation / protection contre les contacts accidentels Hors du domaine SELV, resp. à > 60V DC SELV, la LED doit être protégée de tout contact ma 4 x 350 ma SELV 33.7 V Exploitation de plusieurs modules avec une même alimentation (SELV) 20

21 3.8 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 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 projets 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 architecture du XVIIIe siècle. Des lampadaires et un éclairage d accentuation ajoutent des ambiances 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 consommation d énergie engendrée par le passage à la technologie LED peut atteindre environ 80 %. 21

22 La durée d amortissement, qui aurait représenté près de 4 ans sans l aide EM ecowin, a pu être sensiblement réduite par les subventions et la transformation a été très vite rentable pour l exploitant. La lumière d ambiance des lampadaires est maintenant produite par des LED rétrofits variables qui remplacent aisément les lampes à incandescence avec culot E27. La commande a pu être conservée car les variateurs fonctionnent parfaitement avec les nouvelles sources lumineuses. L éclairage d accentuation a aussi été converti en LED, car les sources lumineuses halogènes endommageaient les précieuses peintures murales. Des peintres devaient les restaurer régulièrement. Ici, aussi les variateurs ont pu être laissés en place. L exploitant porte un regard positif sur la lumière un peu plus froide des sources lumineuses LED et la différence est à peine perceptible pour les clients. Outre par l efficacité électrique et la réduction des coûts, la solution LED brille par une durée de vie plus longue et moins d entretien. Les fonds d aide EM ecowin peuvent atteindre 50 % du coût net du projet, avec des économies d autant plus élevées. Vous trouverez des informations détaillées sur le site web Dans le cadre de l initiative EM ecowin, outre des conseils en énergie et éclairage, Electro- Matériel SA offre des cours intensifs sur l efficacité énergétique. En Suisse, plus d un million de bâtiments ont plus de 30 ans. Un grand potentiel d économie d énergie s ouvre dans le domaine des rénovations. Saisissez cette chance grâce à nos conseils en énergie, pour vous et vos collaborateurs. Profitez de notre offre de cours afin d être la première adresse de vos clients en matière d efficacité énergétique! Les fonds d aide EM ecowin peuvent atteindre 50 % du coût net du projet, avec des économies d autant plus élevées. 22

23 Elevite: Assainissement de l éclairage pour la Neue Zürcher Zeitung Les rédacteurs de la Neue Zürcher Zeitung ont surtout besoin d un bon éclairage de leur bureau. L éclairage standard précédent n étant pas adapté aux besoins des places de travail, l éditeur a décidé de remanier la rédaction. Un concept d éclairage a été élaboré avec les planificateurs d Elevite afin de répondre aux attentes des rédacteurs photo et des journalistes. Les conditions structurelles de l aménagement intérieur constituent aussi un défi majeur pour l équipe de planification et de Facility Management. La nouvelle solution d éclairage du siège de la Neue Zürcher Zeitung est basée sur des luminaires LED offrant une lumière optimale pour le travail de bureau et à l écran. Les plafonniers encastrés à fleur avec LED hautes performances séduisent par une faible profondeur d encastrement et des émissions de chaleur minimales. Une commande intelligente permet de gérer les luminaires individuellement et de créer ainsi un zonage des surfaces de bureau. La lumière couleur du jour génère une excellente ambiance lumineuse et un très bon rendu des couleurs. La grande homogénéité de l éclairage élimine les ombres gênantes et assure un confort visuel supérieur. «Le nouvel éclairage séduit non seulement par la qualité de lumière et la souplesse son efficacité énergétique et les tarifs avantageux d Elevite le rendent également attractif en termes économiques.» Jürg Textor, responsable Facility Management NZZ 23

24 4.0 Planification LED et installation 4.1 De l éclairage conventionnel aux LED questions sur la conversion Votre client souhaite passer aux sources lumineuses LED? Alors les questions suivantes vous aideront à trouver les sources lumineuses adéquates. Quelles douilles ou quels culots sont disponibles? Quelle couleur de lumière (kelvins) votre client souhaite-t-il? Comment la lumière doit-elle être répartie (forme des sources lumineuses et systèmes optiques ou technologie de réflecteurs)? Quelle qualité de rendu des couleurs faut-il atteindre (indice Ra)? L installation actuelle est-elle graduable? Si oui, avec quelle puissance (minimale et maximale) le variateur peut-il travailler? Si non, faut-il équiper l installation de variateurs? Souhaite-on un variateur ou la simple fonction double-clic (2 niveaux de luminosité avec interrupteur conventionnel)? 4.2 Planification d une installation LED Planification d une installation LED: Définissez la couleur de lumière: souhaite-t-on une application monochrome ou une installation RVB de couleur changeante? Définissez le type de commutation: comment la lumière doit-elle être gérée: marche / arrêt, potentiomètre, SwitchDim, DALI? Définissez les luminaires et leurs performances: les luminaires à utiliser Définissez le type de commande: en tension ou en courant? Déterminez les longueurs et les sections des lignes: longueurs de ligne entre alimentation et luminaires, disposition des ballasts. Vérifier l intensité lumineuse nécessaire (lux). Etablissez le type d ambiance à générer. 4.3 Variabilité des LED Les luminaires LED peuvent être variés par des entrées de commande séparées (par ex. DALI) ou par modulation de largeur d impulsion. MLI (modulation de largeur d impulsion) 100 % 90 % 30 % 10 % Modulation de largeur d impulsion Les diodes peuvent être variées en continu jusqu à 0 % de leur intensité lumineuse. Leur qualité couleur de lumière, rendu des couleurs, durée de vie n en est pas affectée. Avec la modulation de largeur d impulsion (MLI), la luminosité est déterminée numériquement par des successions de commutations marche / arrêt. L œil humain ne peut pas percevoir ces changements. Des phases d arrêt plus courtes ont pour effet d augmenter la luminosité, des phases d arrêt plus longues réduisent l intensité lumineuse. 24