La LED pour les professionnels

Terminologie liée à la LED et à l’électronique générale

 

LED (Light Emitting Diode)

La LED (Light Emitting Diode), ou DEL (Diode Electro-Luminescente) est un composant électronique assurant la transformation d’un courant électrique en une émission de photons :

 

Electron -> photons (soit : électricité -> lumière)

 
Ainsi, l’émission de lumière d’une LED est proportionnelle au courant qui circule de son anode (+) vers sa cathode (-) : plus ce courant est intense, plus le flux lumineux est important.
 

Les différents types de LED

L’utilisation des LED est l’une des dernières évolutions en matières d’éclairage. Il existe différentes sortes de « Technologies »: la DIP, la SMD et la COB. Ces terminologies désignent le support physique du composant LED (« le Boitier »), celui-ci ayant un impact sur les flux lumineux d’ensemble, les échauffements et les facilités d’intégration dans la source d’éclairage.
 

Chip (en français « Puce ») de la LED :

 
DIP
La DIP (Dual In Line Package) est la première LED apparue sur le marché. C’est elle que l’on retrouve dans nos multiples équipements ménagés (veilleuses d’appareils électroniques). Il s’agit d’une minuscule ampoule caractérisée par ses broches très fines qui lui amènent le courant. Dans ce type de boitier il n’y a qu’une seule puce, d’où des flux lumineux relativement faibles. Enfin, ce type de boîtier est volumineux et a maintenant disparu des sources d’éclairages à LED.
SMD
La SMD (Surface Mounted Device) ; cette technologie permet de monter une ou plusieurs « puces » dans un même boîtier de petites dimensions et ainsi augmenter le flux lumineux du composant (plusieurs puces). Montés en surface et directement plaqués sur un circuit imprimé (en époxy ou en métal), les boîtiers SMD permettent une meilleure évacuation de la chaleur : en limitant l’échauffement des puces LED, les durées de vie sont augmentées (30 000 hrs en moyenne, soit environ 15 fois plus qu’une halogène). Par ailleurs, les boîtiers SMD sont assemblés sur les circuits imprimés par des machines automatiques ce qui permet de réduire les coûts de production et d’augmenter la fiabilité du produit fini. Celles-ci sont différenciées par leurs dimensions, caractérisées par un nombre : LED SMD 5050 (comprenez 5 mm x 5 mm), la SMD 5630, 3528, 3014, 1210 etc ...
S’adaptant ainsi à des formats étroits, les LED SMD se retrouvent dans de multiples applications pour l’éclairage domestique : plafonnier, applique, éclairage décoratif...
COB
La COB, (Chips On Board : « puces sur circuit »), est une technologie proche de la SMD, permettant un fort niveau d’intégration des puces, une répartition uniforme de leurs température et la production de flux lumineux intenses. L’émission lumineuse est plus homogène qu’avec les LED SMD qui sont accolées les unes à côté des autres. Mise sous forme de filament, la technologie COB a permis le développement des ampoules à filaments LED. Remodelé afin de créer l’illusion du filament incandescent, ce type d’ampoules amène le même éclairage que les anciennes ampoules à filament de tungstène, tout en leur conférant les avantages de la technologie LED. Son utilisation est générale : ampoule, projecteur, spot etc.

Partie active de la LED (semi-conducteur).

 

PCB (Printed Circuit Board) :
Circuit imprimé en Français. Plaque supportant les composants soudés et les liaisons électriques (pistes) entre eux.
 
Boîtier Traversant :
Le chip LED est intégré dans une enveloppe en plastique qui sert de protection et d’optique primaire au chip. Les ‘pattes’ de la LED sont longues et servent à souder la LED sur le PCB. Elles servent également à évacuer la chaleur dégagée dans le chip. Avec cette technologie, la LED est d’un côté du PCB et les soudures de l’autre côté.
 
Boîtiers SMD (Surface Mounted Devices) :
En Français, CMS (Composant Monté en Surface). Ces boîtiers permettent une meilleure évacuation de la chaleur du chip ainsi que des gains de place appréciables sur les PCB. Avec ces boîtiers, les soudures sont faites du même côté que celui du composant sur le PCB.
 
Heatsink (dissipateur) :
Pièce métallique permettant d’évacuer la chaleur provenant des composants vers l’extérieur et d’assurer alors leur refroidissement.
 
Résistance thermique (en °C/W) :
La résistance thermique d’un objet -au sens large- traduit sa capacité à transmettre des calories (de la chaleur) aux objets ou environnements qui lui sont proches.
Plus la résistance thermique est élevée, plus le transfert de chaleur se fait mal et réciproquement.
Exemple : on considère une ampoule à LED d’une puissance de 5W, placée dans une pièce où la température est de 25 °C. Si la résistance thermique totale entre le chip LED et l’air ambiant est de 10 °C/W, la température du chip LED sera de : 25 °C + 10°C/W*5W = 75 °C.
 
Power Converter (Driver) :
Electronique de puissance insérée entre le réseau d’alimentation (ERDF / ENEDIS) et les LED de l’ampoule. Le Power Converter sert à acheminer l’énergie du réseau vers les LED, tout en régulant les courants dans les LED pour contrôler le Flux.
 
Tension de service (en V) :
Tension d’alimentation de l’ampoule. On trouve deux standards :
  • Basse Tension (BT) : 230/240 V-50 Hz en Europe, 115 V – 60 Hz aux USA, Japon,
  • Très Basse Tension de Sécurité (TBTS) : 12 V AC – 50 Hz ou 12VDC
 
Culots :
Interface de raccordement au réseau électrique, il en existe plusieurs types : 230 V AC : E14, E27, GU 10 et 12 V : GU 5.3...
 
Le binning :
Le binning est une opération de tri réalisée lors de la fabrication des LEDs et portant sur plusieurs critères dont la température de couleurs (coordonnées CCx et CCy). Le binning garantit donc une homogénéité dans les caractéristiques des LEDs, malgré la dispersion des caractéristiques physiques.
 
Les ellipses de Macadam :
Les ellipses de Macadam permettent de valoriser l’homogénéité des couleurs lorsque plusieurs sources sont utilisées dans la même application.
Leur orientation et leur dimension dépend de leur position sur le diagramme trichromatique. Leur taille permet quant à elle de préciser l’étendue des dispersions des sources : plus la taille est faible moins il y a de dispersions.
 
A noter : L’objectif étant de ne pas percevoir à l’œil nu, la dispersion des couleurs intrinsèque à la production de masse de sources lumineuses.
 
S.D.C.M. (Standard Deviation Colour Matching) : indice permettant de définir la déviation de colorimétrie.
 
Un SDCM de 1 indique qu’il n’y a pas de différence chromatique.
Une valeur de 3 indique une différence difficilement perceptible.
7 SDCM correspond à une déviation généralement acceptée.
 
 
 

Terminologie liée à l'optique

 
Source de lumière :
Tous dispositifs émettant de la lumière (bougie, LED, filament, tube fluo...).
 
Angle de diffusion :
L'angle de diffusion désigne l’angle d'émission lumineuse de la source. Cet angle est défini comme étant l'angle dans lequel l’intensité lumineuse est comprise entre l’intensité maximal (100% dans l’axe de la source) et 50% de cette intensité maximale.
Contrairement aux autres sources de lumière à incandescence ou fluo, une LED ne peut émettre de la lumière que dans un angle maximal de 180°. Celle-ci est ensuite concentrée dans un angle de diffusion plus faible (de 10° à 120°) par l’intermédiaire d’un réflecteur implanté autour de la puce (chip), intégré dans le corps de la LED. Il s’agit d’optique primaire intégrée.
 
Intensité lumineuse (en candela : cd) :
L'intensité lumineuse traduit la concentration de lumière dans une direction donnée. On la désigne à l'aide du symbole I, et son unité est le candela (cd).
Pour un flux donné, l’intensité lumineuse est d’autant plus élevé que l’angle de diffusion est petit.
 
Flux lumineux :
Le flux lumineux est défini par la quantité de lumière générée par la source d’éclairage. Il est le produit de l’intensité lumineuse et de l’angle de diffusion et s’exprime en Lumen (Lm). Le flux lumineux en lumen correspond à une partie de la puissance émise par la source de lumière (en Watt) mais pondérée par la courbe de sensibilité de l’œil humain.
 
Eclairement (en lux) :
La notion « d’éclairement » correspond à la répartition du flux lumineux sur la surface éclairée (sol, table, mur etc.) : 1lux = 1 lm/m2. L’éclairement intègre et dépend de la distance entre la source de lumière et la surface éclairée.
L’éclairement est un critère déterminant pour de nombreuses tâches et des niveaux d'éclairement minimum sont normalisés ( cf. EN12464-1 et -2). Il doit être pris en compte lors du choix d’une source de lumière.
 
Duree de vie :

Les produits LED se caractérisent par une durée de vie nettement supérieure aux autres technologies des sources lumineuses du marché. La durée de vie utile est considérée comme étant atteinte lorsque le flux lumineux est inférieur à 70% du flux initial. Cette durée de vie ne dépend pas exclusivement du composant LED, mais de l’ensemble des composants de la source lumineuse ou du luminaire. C’est la raison pour laquelle la durée de vie réelle peut varier d’un produit à l’autre.
 
Température de couleur :
La température de couleur est une notion permettant de qualifier les différens niveaux de blanc d’une source lumineuse. Elle est définie comme étant la température d’un corps noir théorique, chauffé à différentes températures. La température de couleur est exprimée en kelvin (K).
 
WW : blanc "chaud" = 1800k à 3000k
NW : blanc "neutre" = 3000k à 4000k
CW : blanc "froid" > 4000k

Exemple de températures de couleur :

1800k : bougie
2000k : soleil à l’horizon
2400 à 2700k : lampe à incandescence
3000 à 3200k : lampe à halogène
5800k : soleil au zénith, flash photo
6500k (et +) : ciel bleu
 
Efficacité lumineuse (en Lumen par Watt : lm/W) :
Cela correspond au rendement électro-optique d’une ampoule et correspond à la division du flux sortie (en lm) par la puissance électrique absorbée (en W). En terme de consommation d’énergie, plus les lm/W sont importants, meilleure est l’ampoule.
 
Exemple :
Incandescence : environ 10 lm/W
Fluo : environ 55 à 75 lm/W (selon que l’on prend en compte l’électronique ou non)
LED : supérieur à 70 lm/W (électronique incluse)
Il s’agit en fait d’un "cumul" des notions de rendement optique et électrique.
Exemple : Un ensemble de LED d’efficacité lumineuse de 100 lm/W produit un flux de 400 lm et consomme alors pour cela une puissance de : (400 lm) / (100 lm/W) = 4 W. Le rendement de l’optique secondaire est de 90 % et le rendement électrique du Power Converter est de 85 %.
Le flux de sortie sera de 400 lm * 90% = 360 lm
La puissance absorbée au réseau sera de : 4 W / 85% = 4,7 W
L’efficacité lumineuse de l’ampoule sera donc de : 360 lm / 4,7 W = 76,6 lm/W
 
Coefficient Efficacité lumineuse = Flux lumineux nominal fourni par le luminaire / Puissance électrique totale consommée par le luminaire
 
Facteur de puissance :
Le facteur de puissance est une notion abstraite pour les personnes ne traitant pas du domaine de l’électricité. Il traduit – parmis d’autres facteurs – le comportement d’une charge vis-à-vis du réseau d’alimentation. Plus celui-ci est faible, plus le courant absorbé sera important, pour une même puissance.
Une charge idéale présente un facteur de puissance égal à 1.
 
Rendement optique (en %) :
Dans le cas d’une optique secondaire, il s’agit du ratio du flux de sortie de l’optique divisé par le flux d’entrée.
Exemple : si un ensemble LED dans une ampoule produit un flux de 100 lm, et que ce flux passe au travers d’une optique secondaire de rendement égal à 80 %, le flux de sortie de l’ampoule n’est que de 80 lm.
 
Rendement électrique (en %) :
Ratio de la puissance délivrée aux LED par le Power Converter (Driver) divisée par la puissance absorbée sur le réseau d’alimentation.
Exemple : On alimente un ensemble de LED d’une puissance de 5 W avec un Power Converter ayant un rendement de 85 %. La puissance absorbée sur le réseau sera de 5/0,85 = 5,9 W.
 
Optique secondaire :
Dispositif optique (lentille) destiné à concentrer (ou au contraire diffuser) la lumière produite par la source de lumière. Il joue également un rôle de protection contre les contacts et vient recouvrir la source de lumière.
 
Eblouissement d’inconfort (facteur UGR)
L’éblouissement d’inconfort est évalué par le calcul du taux d’éblouissement UGR (Unified Glare Rating).
La méthode de calcul de l’UGR est définie par la publication CEI 117 sur une échelle de 10 (éblouissement négligeable) à 30 (éblouissement intolérable).
La norme NF EN 12 464-1 (éclairage des lieux de travail intérieur) donne les prescriptions d’UGR maximal à ne pas dépasser et de l’IRC minimal pour l’éclairage intérieur par zone, tâche et activité.
 
 

 

Caractéristiques techniques

 
IRC : Indice de rendu couleur :
L’IRC, ou Indice de Rendu des Couleurs, mesure la capacité d’une source à restituer correctement toutes les composantes du spectre visible des couleurs.
Les mesures se font par comparaison avec les 5 secteurs d’un échantillon étalon.
C’est la moyenne des mesures qui donnera la valeur de l’IRC, entre 0 et 100.
 
Les IRC inférieurs à 80 sont déconseillés pour un éclairage intérieur. Pour toute pièce dont l’activité dépend de la fidélité des couleurs, un IRC supérieur à 90 devra être privilégié.
 
Point de vigilance : l’IRC étant une moyenne, on pourra trouver des lampes à IRC identiques qui éclaireront différemment. Il est donc préconisé de vérifier la valeur d’autres caractéristiques :
Le R9 (composante de teinte rouge) qui permet d’obtenir des couleurs plus éclatantes,
Le R15 qui donne une couleur plus réaliste du teint de la peau (cabine d’essayage par exemple).
 
 
IP : Indice de protection
L’indice de protection est un standard international définit par la Commission électrotechnique internationale relatif à l’étanchéité (norme NF EN 60 529).
Il indique le degré de protection mécanique d’un éclairage face aux intrusions de corps solides (1ère chiffre de l’IP) et liquides (2nd chiffre de l’IP).
 

 

IK : Taux de résistance aux chocs
Le taux de résistance aux chocs IK mesure la protection de l’équipement électrique contre les impacts mécaniques externes. Ce taux de résistance indique (en joules) l’énergie de l’impact que peut supporter l’enveloppe sans se casser.
Plus la valeur de l’IK est élevée, plus l’appareil est résistant au choc.
 

 

Classes électriques :
Dans le domaine de l’éclairage, des mesures sont mises en place afin de garantir que même en cas de défaillance, les composants accessibles du boitier ne puissent devenir actifs et dangereux.
Ainsi, la classe électrique définit un niveau de protection électrique pour l'utilisateur et mesure par là le risque potentiel pour une personne d'être en contact avec la tension du secteur (230V alternatif ) ou toute autre tension dangereuse pour l'homme (supérieure à 50V dans des locaux secs).
Les produits sont classés en 3 catégories de protection (classe 1, 2 et 3), reconnaissables par des sigles spécifiques :
 
 

 

Volumes pièces d'eau :
Définition des matériels admis selon les volumes de protection
 

 
Résistance au fil incandescent :
Le test au fil incandescent détermine si le luminaire installé dans un bâtiment peut brûler, mais également participer à la propagation d’un incendie.
Il consiste à appliquer un fil chauffé à une température définie (650°C, 850°C, 960° C...) pendant une durée déterminée (5, 30 sec etc.) sur les parties les plus sensibles du luminaire, afin d’observer le comportement de l’enveloppe du produit.
Ce test est régi par la norme NF EN 60598-1, qui impose l’application d’un fil incandescent à 650°C durant 10 secondes, avec extinction d'éventuelles flammes ou incandescence dans les 30 secondes.
Pour les locaux en général et les ERP (Etablissement Recevant du Public), ce test suffit. Cependant, les exigences sont plus élevées lorsqu’il s’agit d’IGH (Immeuble de Grande Hauteur), pour lesquels un test à 850°C est exigé, pour tous les luminaires placés dans les escaliers et les circulations horizontales communes (voir article GH48 de l’arrêté du 30/12/2011). La norme NF EN 60598-2-22 (règles particulières pour l'éclairage de secours) impose quant à elle que les luminaires pour l'éclairage de secours doivent résister au test au fil incandescent à 850°C.
 

Variation des intensités lumineuses

 
Le protocole DMX :
Le protocole DMX512 (qui utilise généralement une liaison suivant la norme EIA RS 485 et cadencée à 250 kb/s). Il permet 125/126
de contrôler 512 canaux (9 bits d'adressage) en affectant à chacun une valeur comprise entre 0 et 255 (8 bits de données par canal). La transmission numérique unidirectionnelle se fait de façon sérialisée par liaison symétrique, et chaque appareil reçoit en même temps l'ensemble des 512 valeurs (ce que l'on appelle une « trame » DMX). La norme prévoit la mise en série de maximum 32 appareils sur une même ligne DMX. Il est possible de brancher plus de 32 appareils, en insérant sur la ligne un ou plusieurs boosters DMX. La norme laisse le soin à chaque constructeur d'appareil de choisir la signification des différentes valeurs.
 
A SAVOIR :
 
Chaque canal DMX correspond à une fonction de l’appareil.
Un luminaire RGB utilise ainsi 3 canaux, un luminaire RGBW 4 canaux.
Chaque canal pilote l’intensité de lumière Rouge, Verte, Bleue et Blanche. Le mélange des trois couleurs primaires produit la lumière colorée. La lumière blanche supplémentaire permet de faire varier la saturation de la couleur.
Ce système est très utilisé dans l’évènementiel.
 
PUCH DIMM : la gradation par bouton poussoir
Des impulsions électriques en 230V (ce qui permet de ne pas être sensible aux perturbations) sont envoyées sur l'entrée de commande lorsque le bouton poussoir est actionné. Ces impulsions permettent de transmettre un signal que décode le système électronique du ballast pour faire varier le flux lumineux des sources. Ce système est couramment utilisé pour les interrupteurs des lampadaires par exemple où une pression longue permet de grader le luminaire dans un sens ou dans l'autre.
 
Avantages :
les fils de commandes sont interchangeables.
les boutons poussoirs et les ballasts/drivers peuvent être mis en parallèle
 
La gradation par DALI :
DALI (Digital Addressable Lighting Interface) est une interface standard développée et soutenue par différents grands constructeurs de ballasts électroniques. DALI permet de gérer, commander et réguler numériquement une installation d'éclairage par l'intermédiaire d'un bus de communication deux fils communément appelé "ligne DALI".
Quels que soient les composants de l'installation d'éclairage, s’ils possèdent l'appellation DALI, ils sont capables de communiquer entre eux via la ligne DALI.
 
Dali Permet :
Une facilité de découpage des espaces en zone indépendant
Un adressage des ballasts et des luminaires de façon individuelle
Une simplicité de programmation, de modification sans avoir à intervenir physiquement sur l’installation
Une simplicité de mise en œuvre et de créations de différents scénarios de gestion.
Une grande compatibilité avec les systèmes domotiques et la gestion technique centralisée GTC
 
WIRELESS : La gradation sans fil
Plusieurs solutions existent lorsqu’il s’agit de contrôle de luminaire. Le Bluetooth est aujourd’hui une de ces solutions les plus prometteuses. Elle permet un pilotage via n’importe quel smartphone récent, qu’il soit sous iOS ou Android.
Grâce à cette évolution de la norme, chaque appareil connecté devient un relais pour l’ensemble du réseau, permettant ainsi le contrôle d’un produit qui serait hors de porté du dispositif de contrôle (smartphone, tablette etc.).
Le Bluetooth Mesh, c’est aussi la possibilité de construire un réseau. La limite du Bluetooth classique, à ne communiquer avec un seul appareil à la fois, est levée : 1 périphérique mobile pourra contrôler 1 ou plusieurs éléments à la fois. L’automatisation des bâtiments devient ainsi possible.