LED

Introduction

La LED (Light Emitting Diode) est textuellement une « diode émettant de la lumière ». Elle est également appelée DEL (Diode électroluminescente) en français et SSL (Solid State Lighting) en anglais. Il s’agit d’un composant (opto)électronique qui, d’une part, ne laisse passer le courant électrique que dans un sens (définition de la diode) et d’autre part, émet de la lumière.

La LED a une histoire relativement récente par rapport aux autres sources d’éclairage : elle a commencé à se développer d’un point de vue industriel dans un premier temps dans la signalétique à partir des années 1970 et s’est vraiment diffusée dans l’éclairage général depuis les années 2000/2010. Voici quelques repères :
– 1907 : découverte du « curieux phénomène » par Henry Round
– 1962 : Nick Holonyak réalise une LED émettant dans le rouge
– 1991 : Shuji Nakamura développe la LED bleue qui permet de produire des LED blanches
– Années 2000 : début de la production des LED de puissances
– 2013 : l’efficacité des LED commercialisées dépasse celle des meilleurs tubes fluorescents

Fonctionnement

Les LED fonctionnent suivant le principe de la luminescence et plus exactement de l’électroluminescence, puisque la lumière est émise suite au passage d’un courant électrique. Le principe est de produire un déficit d’électron dans une zone (matériau dopé p) et un excédent dans une autre (matériau dopé n) : à la jonction entre les deux matériaux, les « trous » d’électrons se recombinent avec les électrons et génèrent un photon.

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Couleur

Les LED émettent des ondes quasiment monochromatiques.
La nature des matériaux des semi conducteurs conditionne la longueur d’onde émise donc la couleur de la LED.

Détails de la composition d'une LED

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Techniquement pour arriver à produire une LED, on utilise :
– Un semi conducteur : il s’agit d’un matériau dont la conductivité électrique est comprise entre un conducteur et un isolant. Afin de produire d’une part une couche où les électrons sont en excédent et d’autre part une couche où les électrons sont déficitaires, les semi conducteurs sont « dopés », c’est-à-dire que l’on augmente (resp. diminue) la densité des électrons en ajoutant des atomes ayant un peu plus (resp. moins) d’électrons en périphérie : il s’agit du dopage N (resp. du dopage P). La nature des matériaux utilisés conditionne l’énergie du photon émis, qui elle-même conduit à une longueur d’onde spécifique (quasiment monochromatique) et donc à une couleur donnée. Les matériaux couramment utilisés sont GaAlAS, AlGaInP, GaAsP, GaN ou InGaN.
– Un substrat est un matériau sur lequel est fabriqué (par épitaxie, → voir définition plus bas) le semi conducteur dopé. Il doit posséder une très bonne conductivité thermique pour dissiper la chaleur émise par la recombinaison trous/électrons et avoir des propriétés cristallographiques très proches du semi conducteur pour ne pas générer de défauts dans celui-ci (des dislocations par exemple) qui entraînent une diminution de l’efficacité des LED. Les matériaux les plus utilisés sont le saphir (Al2O3), le carbure de silicium (SiC), le nitrure de gallium (GaN), le silicium (Si), le diamant ou le graphite.
– Une alimentation par fil d’or, microbille ou attache directe.
– Un boitier mécanique pour assembler le tout et évacuer la chaleur.
– Un luminophore pour permettre de produire de la lumière blanche. En effet, la lumière émise par la LED est monochromatique et il est nécessaire d’en transformer une partie pour couvrir le spectre visible. De manière générale en lumière blanche, la LED produit une lumière bleue et un élément en phosphore en transforme une partie en jaune : le spectre visible est ainsi couvert et la lumière produite par l’ensemble est blanche.

Courbe LED bleu et phosphore jaune vrai spectre

 

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Les proportions respectives d’émission de bleu et de jaune permet d’avoir un blanc plutôt froid ou plutôt chaud, → voir les spectres ci-dessous.

Spectres électromagnétiques

Quelques définitions spécifiques aux LED

Binning : la production des LED est très délicate et il est pour l’instant impossible de produire des composants rigoureusement identiques. Il est donc nécessaire d’effectuer un tri en fonction des caractéristiques des LED produites, cette opération indispensable est appelé “binning”. Les caractéristiques prises en compte sont : la couleur (→ voir Ellipse de Mac Adam et SDCM), le flux lumineux et la tension directe.
Brasage : procédé permettant d’assembler deux pièces métalliques par la fonte d’un métal d’apport (brasure), dont la température de fusion est plus faible que celle des matériaux à réunir. Contrairement au soudage, il n’y a pas de fusion des matériaux, ce qui permet de pouvoir assembler des métaux les plus divers.
COB (Chip On Board) : appelé « pastillage » en français, il s’agit d’un procédé complexe de connexion d’une puce directement sur un PCB (→ voir ci-dessous). Une fois les connexions électriques réalisées, un dôme d’epoxy ou de plastique est utilisé pour couvrir la puce et ses connexions.
CMS (Composants Montés en Surface) : technique de fabrication des cartes électroniques (et par extension ces composants) par brasage en opposition au passage de broches au travers de la carte.
Déplétion (zone de) : espace « désert » compris entre le semi conducteur dopé p et le semi conducteur dopé n. Dès que le courant passe, cette zone correspond au lieu où se les électrons et les « trous » se recombinent et où donc sont produits les photons.
Epitaxie : technique qui consiste à faire croître de façon orientée un cristal sur un autre. Dans le cas des LED, il s’agit du semi conducteur dopé sur le substrat. L’hétéroépitaxie concerne le cas où les 2 cristaux sont différents, ce qui peut engendrer des problèmes de tailles de mailles et des coefficients de dilatations différents : des défauts peuvent être alors induits et diminuer les performances du système.
PCB (Printed Circuit Board) : appelé « circuit imprimé » en français, il s’agit de l’ensemble constitué d’un support isolant et des conducteurs métalliques plats destinés à assurer des liaisons électriques entre des composants électroniques qui seront disposés à la surface du support.
Pitch : sur une carte électronique de type barrette ou disque, distance entre deux LED. Cette notion est importante en ce qui concerne notamment l’uniformité de l’éclairement, et partant, l’éblouissement (voir UGR).
Wafer : tranche ou galette de silicium.

Synthèse des caractéristiques

A noter

Plus la température est basse, plus la LED est performante, ce qui la rend particulièrement efficace en gradation – même si l’alimentation vient compenser ce phénomène en réagissant de manière opposée, c’est à dire que plus la gradation est forte, moins l’alimentation est efficace.

Santé

L’ANSES (Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail) a publié en octobre 2010 un rapport mettant en garde sur deux risques sanitaires pouvant être générés par les LED :
– le déséquilibre spectral des LED (forte proportion de lumière bleue dans les LED blanches) est une première dans l’histoire humaine et aucune donnée n’est disponible quant aux conséquences d’une exposition de longue durée sur la santé d’une telle lumière bleue.
– les très fortes luminances des LED qui peuvent provoquer des éblouissements et qui doit être traité très sérieusement par les fabricants de luminaires, voir le chapitre sur l’optique, la norme d’éclairage intérieur et l’UGR.
La norme NF EN 62 471 sur la sécurité photobiologique des lampes propose une classification des LED en fonction de leur danger photobiologique pour l’œil (thermique et photochimique) : quatre groupes de risques sont définis, le groupe 0 ne présentant pas de risque photobiologique, le groupe 1 ne présentant aucun risque photobiologique dans des conditions normales d’utilisation, le groupe 2 ne présentant pas de risque lié à la réponse d’aversion pour les sources très brillantes ou en raison de l’inconfort thermique et le groupe 3 présentant un risque potentiel même pour une exposition courte ou momentanée.

Important : le luminaire – suivant son architecture et son système optique – peut avoir une classification différente des modules LED utilisés, il est donc important de mesurer le luminaire dans son intégralité et non de se baser sur les classifications des fournisseurs.

Pour la comparaison avec les autres sources, → voir la page dédiée, et plus spécifiquement avec la fluorescence, → voir la page spécifique.

Lumière – optique
Luminance Très forte et même dangereuse.
IRC* Couramment supérieur à 80. Possibilité d’avoir des IRC supérieurs à 90 à condition d’y mettre le prix.
Production de blanc Le plus couramment par des LED bleues avec du phosphore jaune.
Spectre Quasiment monochromatique pour l’émission des LED, élargi sur l’ensemble du visible de façon inégale avec un luminophore.
UV En très faible quantité pour les LED blanches classiques.
Infrarouge Pas pour les LED blanches classiques.
Type d’émission Directionnel non intensif.
Générales
Efficacité énergétique Très forte
Ecologie Etant donné que l’impact écologique des sources d’éclairage dépend très majoritairement de l’efficacité de la source (→ voir ACV) et que les LED ont une très bonne efficacité, l’impact écologique est réduit par rapport aux sources standards.
Allumage Instantané et fréquent sans endommager la LED.
Durée de vie
(→ voir ci-dessous)
Longue, donnée couramment à 50 000 h mais attention à la définition choisie. Le flux des LED baisse dans le temps et dépend de la température.
Taille et encombrement Faible, mais attention à la très forte luminance (qui exige un travail optique approprié) et au refroidissement de la LED.
Sensibilité à la chaleur Forte, pour l’efficacité et surtout la durée de vie. Plus la température est basse, plus la LED est performante. Une refroidissement spécifique doit être étudié, → voir ci-dessous.
Gradation Aisée. Plus la LED est gradée, moins elle chauffe et plus l’efficacité énergétique est importante (contrairement à la fluorescence).

* l’IRC n’est pas bien adapté à des sources monochromatique comme les LED, voir ci-dessous. Et même si le luminophore additionnel permet d’élargir sensiblement le spectre électromagnétique, certaines longueurs d’ondes visibles (donc certaines couleurs) ne sont que très peu représentées, comme les rouges intenses par exemple.

Exemple d'IRC

Exemple de résultat d’IRC pour des LED où le rouge est clairement mauvais, voir la page dédiée à l’IRC pour plus de détails.

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Durée de vie

Une codification est utilisée de manière classique pour exprimer la durée de vie : en effet, comme toutes les sources, le flux lumineux d’un module LED diminue tout au long de sa durée de vie.

Quelques paramètres (pour une durée de vie donnée) :

Signification Notation Exemple
% du flux initial L L70 signifie que le module fournira 70% de son flux initial
% de LED en dessous de la valeur L B L70B10 signifie que 10% des LED seront en dessous des 70% du flux initial ou que 90% des LED seront au dessus des 70% du flux initial
% de LED défectueux C C10 signifie que 10% des LED sont défectueux
% total des LED en dessous de la valeur L F
(combinaison B et C)
L70F10 signifie que 10% des modules seront considérés comme défectueux ou possédant une valeur inférieure à 70% au flux initial

Ces définitions de durée de vie peuvent être traduites en flux minimum après la durée de vie annoncée :

L90F10 L90F50 L80F10 L80F50 L70F10 L70F50
Formule de calcul 90%x90% 90%x50% 80%x90% 80%x50% 70%x90% 70%x50%
Flux minimum des LED après la durée de vie annoncée (en % du flux initial) 81% 45% 72% 40% 63% 35%

Un module LED pourra donc être caractérisé avec un tableau reprenant par exemple les valeurs des L90F10, L90F50, L80F10, L80F50, L70F10 et L70F50 en fonction des conditions de température Tp (température de performance) mesurée au point Tc (température critique) positionné par le fabricant des LED sur le module :

Tp L90F10 (h) L90F50 (h) L80F10 (h) L80F50 (h) L70F10 (h) L70F50 (h)
45°C 36 000 39 000 > 60 000 > 60 000 > 60 000 > 60 000
55°C 27 000 30 000 51 000 > 60 000 > 60 000 > 60 000
65°C 20 000 22 000 38 000 44 000 > 60 000 > 60 000
75°C 15 000 16 000 29 000 32 000 49 000 56 000
Flux minimum des LED après la durée de vie annoncée (en % du flux initial) 81% 45% 72% 40% 63% 35%

 

Ces durées sont calculées généralement en suivant le document TM-21 (Lumen degradation lifetime estimation method for LED light sources) de l’IES (Illumating Engineering Society) qui recommande une méthode pour réaliser des projections de dégradation de LED en fonction de données mesurées suivant LM -80 (document qui établit des standards de données à mesurer).

La LED dans les luminaires

Présentation des LED

Les LED peuvent se présenter sous différentes formes pour l’utilisateur, du simple composant pour le professionnel à la lampe avec douille utilisable par le particulier. En tout état de cause, la LED  :
– a besoin d’être alimentée avec des caractéristiques de courant électrique précises donc nécessite une alimentation spécifique (appelé également driver) pour convertir le courant du réseau (230V alternatif et 50Hz)
– ne doit pas éblouir donc a besoin d’un système optique performant
– nécessite un dispositif de refroidissement spécifique
– doit pouvoir être monté mécaniquement sur un support.

Ces différentes étapes peuvent être réalisées tout au long de la chaîne de montage/distribution des sources et des luminaires LED, ce qui ne permet pas d’avoir une standardisation comme la profession avait l’habitude avec les sources fluorescentes. Certains indicateurs ne sont donc plus pertinents, comme par exemple le rendement optique ou le rendement en service (au profit d’une efficacité globale du luminaire), → voir également la page sur la performance énergétique. Ceci explique que les courbes photométriques des luminaires à LED proposent systématiquement un rendement de 100%, ce qui n’a évidemment aucun sens et ne permet aucune comparaison (pour cela, prendre l’efficacité globale du luminaire en lm/w).

Alimentation

Les alimentations sont classées en deux types :
– alimentation à courant constant (intensité constante) pour les LED de puissance, donc pour l’éclairage général. Voici quelques valeurs courantes : 300 mA, 350 mA, 400 mA, 500 mA, 700 mA, 900 mA, 1050 mA, 1400 mA, 1750 mA….
– alimentation à tension constante pour les faibles puissances : 12V (signalétique) ou 24V (décoratif ou RGB).

Pour les LED de puissance, un même module LED peut être alimenté par différentes intensités de courant mais ses caractéristiques en seront modifiées : plus l’intensité du courant est faible, moins il génère du flux lumineux mais meilleure est son efficacité. Réciproquement, plus l’intensité du courant est importante, plus il génère un flux lumineux important et moins bonne est son efficacité.

Câblage

Les LED sont sensibles aux perturbations électrostatiques : quand elles sont sous la forme de puce ou de module, il est donc indispensable pour les câbler de prévoir une protection adéquate en usine. Ceci est bien sûr de la responsabilité des fabricants de luminaires.

Maintenance

Cette sensibilité aux perturbations électrostatiques – et les nécessaires précautions qui vont avec – constituent un des facteurs qui rend difficile le remplacement des modules ou barrettes in-situ : il est en effet difficilement réalisable en pratique d’équiper les personnes qui interviennent sur site de l’équipement adéquat et encore moins pour le fournisseur de vérifier la réalité de la bonne pratique (qui par définition sera éphémère). Il serait donc compliqué par exemple de déterminer de manière objective les causes d’un Services Après Vente (SAV) en cas de problème.

Les évolutions toujours rapides de générations de barrette LED constituent également un frein à la maintenance sur site car si une barrette défectueuse est changée et qu’entre temps une nouvelle génération plus performante est arrivée, ladite barrette produira plus de flux lumineux que les barrettes alimentées sur le même driver (qui fournira le même courant à tout le monde) et engendrera donc une flux du luminaire non uniforme.

En conclusion, la maintenance et le remplacement des sources LED sont extrêmement variables suivant les luminaires, en voici une synthèse :

Possibilité de maintenance A changer
Luminaire avec douille du commerce (E27, B22….) Oui Ampoule
Luminaire avec tube LED Oui Tube LED
Luminaire avec module ou barrette LED Luminaire non prévu pour la maintenance (par exemple les luminaires dont la principale valeur ajoutée est dans les LED et l’alimentation, typiquement les dalles LED) Non Luminaire
Luminaire prévu pour la maintenance (par exemple les luminaires dont la principale valeur ajoutée est le corps et/ou l’optique du luminaire, typiquement pour l’industrie) Oui Toutes les barrettes LED et/ou alimentations du luminaire (en général fixées sur une platine amovible)

Optique

Vu la luminance très forte voire dangereuse des LED, un soin particulier doit être porté au traitement optique des LED. Différentes possibilités sont couramment utilisées :
– optique intensive : par réfraction/transmission à travers du polycarbonate ou PMMA diamanté ou lentille spécifique
– optique extensive : par réfraction/transmission à travers du polycarbonate ou PMMA opale ou en indirect par simple voire double réflexion.

A noter

Le passage de la fluorescence à la LED s’accompagne d’une manière très nette d’un abandon des systèmes optiques en réflexion (donc en aluminium optique) au profit des systèmes optiques en réfraction/transmission (polycarbonate et PMMA), → voir détails.

Thermique

La maîtrise de la température des composants électroniques en général est indispensable au bon fonctionnement des systèmes. Pour mémoire toute l’énergie électrique fournie au luminaire (quelle que soit le type de source lumineuse) est convertie en chaleur, cet aspect technique est donc crucial, que ce soit pour les ballasts électroniques pour les lampes à décharges mais aussi pour les modules et les alimentations LED.

Quelques caractéristiques sont ainsi requises :
– une grande surface du luminaire pour augmenter la surface d’échange (ce qui est paradoxal avec le très faible encombrement des LED),
– l’utilisation de matériaux ayant une bonne conductivité thermique, comme l’aluminium (voire le cuivre),
– si le design du luminaire ne permet pas de respecter les caractéristiques nécessaires, il est possible de compléter le système par un radiateur spécifique (« heat sink » en anglais). Certains sont mêmes actifs, c’est-à-dire qu’un courant électrique permet grâce à un dispositif particulier (comme un ventilateur) d’améliorer l’efficacité.

Définitions

Un point physique est spécifié sur les modules et les alimentations appelé Tc : il correspond à la température critique à ne pas dépasser sous peine de dégrader le composant, c’est à cet endroit que les sondes doivent être placées pour effectuer les mesures. Les fabricants expriment les durées de vie par une valeur Tp : il s’agit de la température de performance, c’est-à-dire la température optimum ou la température réelle de fonctionnement du module ou de l’alimentation. Tp ne doit jamais dépasser Tc.

Le tout doit être validé dans une enceinte thermique spécifique où la température ambiante peut être variée en fonction des tests. Des sondes thermiques sont placées sur différents points critiques du système à mesurer et il est ainsi possible d’établir une relation entre la température critique des composants électroniques et la température ambiante de la pièce qui sera la seule mesurable par l’utilisateur final.

A noter

Le passage de la fluorescence à la LED s’accompagne également d’un développement important des luminaires en profilé d’aluminium car, outre la facilité à travailler le matériau et son bel aspect esthétique, celui-ci a une conductivité thermique importante et permet de résoudre facilement le problème thermique.

Les LED blanches classiques n’émettent pas ou très peu d’infrarouge (ni d’UV d’ailleurs) : la chaleur dégagée radiative est uniquement dans le visible (environ 30%), le reste est donc sous forme de conduction et convection.

Utilisation

Les LED grâce à leurs caractéristiques actuelles sont utilisées de manière universelle dans l’éclairage. Pourtant, il est possible de mettre en avant quelques utilisations ou contre-indications particulières :
– Basse et très basse température : étant donné que les performances des LED s’améliorent avec le froid, elles sont particulièrement recommandées pour ce type d’utilisation
– Haute et très haute température : il s’agit là d’une caractéristique qui peut être rédhibitoire pour l’utilisation de la LED car cette dernière peut être rapidement détériorée. Les sources classiques (jusqu’à l’halogène pour l’éclairage de four par exemple) peut être alors nécessaire, au détriment de l’efficacité énergétique.
– Variation de couleurs : les lampes de type incandescence et la grande famille des lampes à décharge ne proposent pas de solution simple pour réaliser facilement de la variation de couleurs. La LED est par contre particulièrement adaptée et donc fortement recommandée, → voir la page dédiée.

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