CCTP pour luminaire LED

Introduction

Les LED ont fait leur apparition récemment dans le milieu de l'éclairage professionnel et, même si cette technologie n'est pas nouvelle, il n'est pas aisé de se l’approprier car de nouveaux concepts ont fait leur apparition (ou même leur réapparition comme le flickering qui avait disparu avec les ballasts électroniques mais qui resurgit avec les LED). Les repères du marché sont donc modifiés et de nouvelles habitudes sont à prendre.

Cette page a donc été rédigée pour aider les décideurs à rédiger un cahier des charges en connaissance de cause.

Pourtant, certaines caractéristiques du produit final dépendent soit uniquement d'un niveau (le scintillement par exemple dépendra uniquement du driver ou l'étanchéité uniquement du corps du luminaire) soit de 2 ou 3 niveaux simultanément (comme la température qui doit être maîtrisée suivi les matériaux et l'architecture du luminaire, de la qualité du driver et des LED).

Dans un second temps seront donc traités trois aspects plus en détails pour aider les différents acteurs à choisir un luminaire LED en connaissance de cause, en traitant :
- les LED en elles mêmes
- leur alimentation
- leur intégration dans un luminaire.

Synthèse pour la rédaction de cahiers des charges

Remarque liminaire : les informations ci-dessous correspondent à des standards voire à des normes spécifiques et elles doivent pouvoir être fournies par le fabricant de luminaires. Si certaines caractéristiques ne sont pas disponibles, ce n'est pas bon signe.

Voici les différents éléments qui peuvent être repris dans un cahier des charges, notamment pour être sûr d'avoir des appareils de qualité :

Propriété Valeurs repères* Commentaires
Générale Efficacité du luminaire (en lm/W) à Ta=25°C - inf. à 100 lm/W => mauvais
- entre 100 et 120 lm/W => moyen
- entre 120 et 140 lm/W => bon
- sup. à 140 lm/W => excellent
Il est difficile de donner des valeurs absolues car ces valeurs dépendent des types de luminaires, et notamment de leur système optique : l'idéal est donc de comparer divers produits semblables du marché à un moment donné.
Durée de vie (en heures) - L80B10 inf. à 30 000 h => mauvais
- L80B10 entre 30 et 50 000 h => moyen
- L80B10 = 50 000 h => correcte
- L80B10 sup. à 50 000 h => très bon
Bien faire attention non seulement à la durée de vie mais également aux définitions de la durée de vie : 50 000 h pour du L80B10 peut être sensiblement différent de 50 000 h pour du L70B30, voir la page dédiée
Garantie (en années) - inf. 3 ans => mauvais
- entre 3 ans et 4 ans => moyen
- 5 ans => bon
- supérieur à 5 ans => excellent
Bien vérifier les conditions de garantie du fabricant (qu'est-ce qui est garanti ?) et également les conditions d'installation du luminaire (température ambiante maximale par exemple)
Maintenabilité Suivant les applications, le client final et le type de luminaire, la maintenabilité peut être un critère important voire essentiel, à ne pas oublier sur le cahier des charges le cas échéant
Divers IP, IK et la tenue au fil incandescent sont à voir suivant les situations, voir les pages dédiées et la page des applications
 Électrique Protection surchauffe Un système de protection contre la surchauffe doit être exigé pour être sûr d'avoir du matériel de qualité et d'éviter toute détérioration des composants électroniques. Concrètement, le driver baisse le flux lumineux (voire s'arrête) dès que la température est trop élevée
Protections électriques Un système de protection contre des surtensions, des courts-circuits, des surcharges, une tension à vide doit également être exigé pour être sûr d'avoir du matériel de qualité et d'éviter toute détérioration des composants électroniques.
Temps d'allumage ou extinction (en secondes) - sup. à 0,5 sec. => mauvais
- 0,5 sec. => correct
- inf. à 0,5 sec. => bon
Seul le driver contrôle ce paramètre, la LED quant à elle est beaucoup plus réactive
Classe électrique - Classe 1 de manière générale
- Classe 2 pour les applications exigeantes en termes de sécurité électrique comme les volumes 2 des salles d'eau par exemple
- Classe 3 pour des luminaires spécifiques, le volume 1 des salles d'eau ou des luminaires immergés dans l'eau
Courant de fuite - sup. à 1 mA => mauvais
- entre 1 mA et 0,5 mA => correct
- inf. à 0,5 mA => bon
Les courants de fuite ne peuvent provenir que des drivers (les modules LED ne sont pas alimentés quand ils ne fonctionnent pas)
Tolérance du flux lumineux - sup. à +/- 15% => mauvais
- inf. +/- 15% => correct
Cette valeur dépend à la fois de la tolérance du courant de sortie du driver et de la tolérance du flux lumineux typique de la LED
CRITÈRE QUALITATIF DISCRIMINANT Papillotement (valeur de courant alternatif résiduel ou ripple current) - sup. à 30% => mauvais
- entre 5 et 30% => moyen
- inf. à  5% => bon
Pour le papillotement, voir également pour éviter la gradation de type PWM (surtout pour les gradations inférieures à 30%)
CRITÈRE QUALITATIF DISCRIMINANT Harmoniques - THD >10% => mauvais
- THD <10% => correct
THD (Total Harmonic Distortion) est le taux de distorsion harmonique, c'est à dire la mesure des harmoniques générées (en l’occurrence par le driver uniquement)
Déphasage - lambda inf. à 95% => mauvais
- lambda entre 95% et 98% => moyen
- lambda sup. à 98% => bon
Electrostatique La sensibilité aux décharges électriques dépend du montage et de la maintenance : si l'électricien peut toucher avec son doigt (plus généralement une partie de son corps) les LED durant la maintenance du luminaire, il est judicieux de demander un film de protection aux décharges électrostatiques
Type de gradation Favoriser la gradation par modulation d'amplitude au détriment du PWM pour éviter le papillotement (attention, il faut veiller dans ce cas à conserver les autres caractéristiques notamment en SDCM)
Minimum de gradation - sup. à 10% => mauvais
- entre 3 et 10% => correct
- inf. à 3% => bon
"Pas" (step) de gradation - sup. à 1mA => mauvais
- inf. à 1mA => correct
Photométrique Flux lumineux (en lumen) Valeur déterminée par l'étude d'éclairement
Maintient du flux à 25% de la durée de vie ou 6 000 h  - inf. à 80% => mauvais
- entre 80 et 90% => moyen
- supérieur à 90% => bon
Voir le 6ème chiffre du code photométrique (qui correspond à la dizaine du pourcentage de la colonne précédente)
UGR Dans l'absolu, un UGR inf. à 16 éblouit moins qu'un UGR à 25 mais tout est relatif et dépend des situations Suivant les besoins, voir la norme des lieux de travail intérieur. Attention le fabricant ne peut donner que des valeurs dans une pièce standard, des calculs précis en situation sont nécessaires pour tenir compte des spécificités des situations
CRITÈRE QUALITATIF DISCRIMINANT SDCM initial - 5 ou sup. => mauvais
- 4 => moyen
- 3 => bon
- 2 ou inf. => excellent
Voir le 4ème chiffre du code photométrique
CRITÈRE QUALITATIF DISCRIMINANT SDCM à 25% de la durée de vie ou 6 000 h - 7 ou sup. => mauvais
- 6 => moyen
- 5 => bon
- 4 ou inf. => excellent
Voir le 5ème chiffre du code photométrique. Le SDCM à au bout d'un laps de temps est forcément plus grand que le SDCM initial (autrement dit l'homogénéité colorimétrique a plutôt tendance a être dégradée dans le temps)
Risque photobiologique - groupe 0 : excellent, pas de risque
- groupe 1 : acceptable, aucun risque photobiologique dans des conditions normales d'utilisation
- groupe 2 : mauvais, à éviter
- groupe 3 : à éviter absolument
Classement suivant la norme NF EN 62 471
Température de couleur Aucune consigne absolue ne peut être donnée ici car cela dépend des situations et des préférences de chacun
CRITÈRE QUALITATIF POSSIBLEMENT DISCRIMINANT Rendu des couleurs - IRC, Ra > 80 => correct
- Possibilité de mettre une condition supplémentaire pour le R9 (par exemple sup. à 0, 50 ou 80 suivant les besoins)
- TM 30-15, Rf > 80 => correct
- TM 30-15, Rg à voir suivant les cas
Le contexte est ici très important car le besoin d'un bon rendu des couleurs peut être négligeable (dans les tunnels par exemple) ou capital (magasins, art, joaillerie...).
Le choix doit donc se faire suivant les situations.
De plus, un besoin peut-être ressenti pour plus saturer telle ou telle couleur, ce qui peut conduire notamment à une mauvaise valeur Rg.
Tunablewhite 3 000°K en mini et 6 000°K en maxi sont des valeurs correctes minimum à exiger Attention au type de gradation, éviter le PWM, voir ci-dessus. Attention les valeurs de température mini et maxi dépendent des LED mais également du driver.

* Pour toutes ces valeurs, des tolérances pourront également être indiquées pour plus de précision.

Détails sur Les LED

Les LED constituent l'élément de base du luminaire et différentes caractéristiques sont à prendre en compte. Évidemment plus l’exigence est élevée (dans le binning par exemple), plus les sources sont chères et qualitatives.

Attention, les informations ci-dessous sont à relativiser car des propriétés sont interdépendantes : il ne s'agit que de points de repère et l'idéal est de regarder de comparer les caractéristiques de différents produits du marché.

Les propriétés générales

- Efficacité de la barrette seule (sans tenir compte de l'alimentation) à Tp=25°C, un ordre de grandeur pourrait être :

Efficacité du module à Tp=25°C
Inf. à 120 lm/W Mauvais
Entre 120 et 150 lm/W Moyen
Entre 150 et 170 lm/W Bon
Sup. à 170 lm/W Excellent
Relativité de l'efficacitéIl est difficile d'avoir ici des repères absolus et le mieux est de comparer l'état du marché pour des mêmes caractéristiques de LED car pour mémoire, l'efficacité dépend d'un certain nombre de facteurs :
- de la température de couleur (les LED émettant en bleu, plus le blanc est bleuté - froid donc température de couleur élevée -, plus, généralement, l'efficacité est importante)
- de l'intensité d'alimentation de LED (plus l'intensité est forte, plus il y a de chaleur ce qui fait baisser l'efficacité)
- du rendu des couleurs (plus Ra ou Rf seront élevés, moins l'efficacité sera bonne)
- s'il y a un ou plusieurs types de LED (l'efficacité baisse pour produire du tunable white avec deux LED différentes par exemple) .

- La garantie est une caractéristique simple et objective. Cinq ans est devenu un standard, il est donc possible de dresser le tableau suivant :

Durée de vie
Moins de 5 ans Mauvais
5 ans Bon
Plus de 5 ans (8, 10 voire 12 ans existent sur le marché) Excellent

- La durée de vie est par contre une propriété difficile à quantifier car elle dépend de la définition (L70F50, L80F10...), de l'intensité du courant entrant et de Tp. Les fabricants qui indiquent une matrice de température sur leur fiche technique apportent un gage de qualité. Une valeur de 50 000 h est maintenant standard et un tableau indicatif ci-dessous peut être dressé :

Durée de vie L80F10 à Tp=65°C et intensité du courant "moyenne*"
Inférieure à 50 000 h Mauvaise
50 000 h Correcte
Entre 50 000 h et 100 000 h Bon
Supérieure à 100 000 h Excellente

* "Moyenne" signifie ici la moyenne des intensités proposées sur la fiche technique pour le module LED étudié

- La température ambiante acceptée (Ta) : évidemment, plus la plage est large moins les risques de détérioration sont importants. Attention, la thermique doit être gérée de manière globale et le fabricant du luminaire doit prendre les mesures nécessaires pour garantir les appareils en respectant les températures des modules et alimentations LED. Ci-après quelques exemples :

Plage de températures ambiantes acceptées
De - 30°C jusqu'à  +45°C Moyen
De - 40°C jusqu'à +70°C Excellent

- Plus la température critique (Tc) est élevée, plus la thermique est gérée et plus les risques de surchauffe diminuent. Attention, comme ci-dessus, la thermique doit être gérée de manière globale et le fabricant de luminaire doit prendre les mesures nécessaires pour garantir les appareils en respectant les températures des modules et alimentations LED. Voici des ordres de grandeurs :

Tc
Inf. à 75°C Mauvais
Entre 75°C et 85°C Moyen
Supérieur à 90°C Excellent

- Enfin, les indications sur la fiche technique de refroidissement des modules ainsi que les conditions de stockage (température et humidité) sont également un gage de qualité du fabricant.

Les propriétés électriques

Les propriétés électriques des modules LED servent notamment à mesurer la robustesse du module.

- Le pic de d'intensité acceptée par le module LED (en général pendant 8 ou10 ms) est aussi une donnée fabricant qu'il est possible de résumer grossièrement :

Pic d'intensité accepté
Inf. à 200 % de l’intensité nominale Faible
Entre 200 % et 300 % de l’intensité nominale Moyen
Sup. à 300 % de l’intensité nominale Bon

- Le courant alternatif résiduel maximum accepté est également une propriété qui peut se retrouver sur les fiches techniques et qu'il est possible de résumer grossièrement :

Courant alternatif résiduel accepté
Inf. à 700 mA Faible
Entre 700 et 1 000 mA Moyen
Sup. à 1 000 mA Bon

- La tension d'essai d'isolement est la tension maximale applicable sur le circuit qui ne provoque pas de court circuit. Évidemment, plus celle-ci est élevée, plus le circuit est robuste. Un ordre d'idée pourrait être :

Tension d'essai d'isolement
inf. à  1 500 V Faible
Sup. à 1 500 V Correct

- La facilité de câblage voire la possibilité de câblage par robot peut être un critère important suivant les cas.
- Enfin, les indications sur la fiche technique des niveaux de classification pour le risque électrostatique (ESD/EOD), du courant de fuite (CTI pour Comparative Tracking Index, c'est à dire la résistance au courant de fuite) sont également un gage de qualité du fabricant.

Les propriétés photométriques

Le code photométrique - qui résume une partie de ces caractéristiques (température de couleur, IRC, SDCM initial et après un certain temps, maintien du flux lumineux) - peut permettre de donner une idée de ces propriétés.

- Aucune consigne absolue ne peut être donnée pour la température de couleur qui dépend des situations et préférences de chacun.
- Pour le rendu des couleurs, de manière générale, la référence est la lumière naturelle donc les valeurs Ra de l'IRC et le Rf de la TM 30-15 doivent être au plus proche de 100. Par contre, dans des cas spécifiques (magasin, art...), il peut être préféré de saturer certaines teintes qui conduisent du coup à de moins bonnes valeurs de Ra et Rf. Ce point est donc à voir suivant les situations mais il est compliqué et cher de bien maîtriser cette caractéristique qui peut être discriminante pour exclure les modules LED peu qualitatifs.
- Le maitrise de homogénéité des couleurs des différentes LED ainsi que leurs maintiens dans le temps est un facteur important qu'il est possible de résumer comme ci-dessous. Ce critère est également discriminant pour exclure les modules LED peu qualitatifs.

SDCM initial SDCM à 25% de la durée de vie ou 6 000 h
5 ou sup. 7 ou sup. Mauvais
4 6 Moyen
3 5 Bon
2 ou inf. 4 ou inf. Excellent

- Le risque photobiologique du module LED est encadré par la norme NF EN 62 471 donc cette propriété est facilement contrôlable (attention toutefois, le système optique du luminaire peut - dans des cas particuliers - modifier la classe)

Risque
0 Excellent
1 Correct
2 Mauvais, à éviter
3 A éviter absolument

- L'angle d'éclairement est donné à titre indicatif et est utile au fabricant pour travailler son système optique

Tunable whitePour les modules LED permettant la modulation de blanc (c'est à dire le choix du type de blanc, de blanc chaud à blanc froid), les températures de couleur minimum et maximum sont importantes. Attention, ces plages dépendent également du driver utilisé.

Plage de températures de couleurs
De 3 000 °K à 6 000 ° K Moyen
De 2 700 °K à 6 500 °K Bon

Détails sur les alimentations LED

Les alimentations sont capitales dans la qualité de l'éclairage LED, et ce d'autant plus que les LED sont très sensibles à leur courant d'entrée. Et, comme dans de nombreux domaines, le fait d'avoir des modules LED et un driver d'un même fabricant permet de s'assurer une compatibilité optimale.

Attention, les informations ci-dessous sont à relativiser car les propriétés sont interdépendantes : il ne s'agit que de points de repère et l'idéal est de comparer les caractéristiques de différents produits du marché.

Les propriétés générales

- L'efficacité des drivers dépend notamment de la puissance du driver et si celui-ci est gradable. Voici un ordre de grandeur :

Efficacité (%)
Inf. à 85% Mauvais
Entre 85% et 90% Correcte
Sup. à 90% Bonne

- La garantie est une caractéristique simple et objective. Cinq ans est maintenant un standard, il est donc possible de dresser le tableau suivant :

Durée de vie (années)
Moins de 5 ans Mauvais
5 ans Bon
Plus de 5 ans (8, 10 voire 12 ans existent sur le marché) Excellent

- La durée de vie est une propriété qui dépend de la température Tp. Il est possible de proposer le tableau suivant :

Durée de vie à Tp=65°C
Inférieure à 50 000 h Mauvaise
50 000 h Correcte
Entre 50 000 h et 100 000 h Bon
Supérieure à 100 000 h Excellente

- Plus la température critique (Tc) est élevée, plus la thermique est gérée et plus les risques de surchauffe diminuent. Attention, comme ci-dessus, la thermique doit être gérée de manière globale et le fabricant de luminaire doit prendre les mesures nécessaires pour garantir les appareils en respectant les températures des modules et alimentations LED. Voici des ordres de grandeurs :

Tc
Inf. à 70°C Mauvais
Entre 70°C et 75°C Moyen
Supérieur à 75°C Excellent

- Le risque de dysfonctionnement du driver doit être au minimum inférieur à 10% au bout de la durée de vie annoncée.
- La facilité de câblage voire la possibilité de câblage par robot peut être un critère important suivant les cas.
- Enfin, les indications sur la fiche technique des conditions de stockage (température et humidité) ainsi que des protections contre des surchauffes, les surtensions, des courts-circuits, des surcharges, une tension à vide.... sont un gage de qualité du fabricant.

Les propriétés électriques

Les drivers sont généralement à courant constant (pour l'éclairage en général) mais il existe aussi des drivers à tension constante (12 ou 24 V par exemple) pour des applications particulières comme la signalisation. Cette caractéristique dépend du besoin.
- Le driver ne doit pas générer d'harmoniques, ce qui est mesuré par le THD (Total Harmonic Distortion) appelé taux de distorsion harmonique. Ce critère est discriminant pour exclure les drivers peu qualitatifs.

 THD
Inf. à 10% Mauvais
Sup. à 10% Correct

- Le courant alternatif résiduel reflète la propreté du courant de sorite du driver (ou du courant entrant dans la LED) et est responsable du papillotement : il doit être maîtrisé et cette caractéristique exige des composants qualitatifs et chers. Ce critère est également discriminant pour exclure les drivers peu qualitatifs.

Courant alternatif résiduel
(ripple current)
Sup. à 30% Mauvais
Entre 5% et 30% Correct
Inf. à 5% Bon

- Le déphasage lambda entre l'intensité et le courant électrique doit être maîtrisé :

Cos Phi / Lambda
Inf. à 95% Mauvais
Entre 95% et 98% Moyen
Sup. à 99% Bon

- Le fait d'être en basse tension de sécurité ou non (appelé SELV en anglais pour Security Extra Low Voltage) est capital pour le fabricant de luminaire dans sa conception. En effet, les risques qu'une personne touche une partie conductrice dangereuse doivent être maîtrisés et la dangerosité de ce composant doit être prise en compte s'il peut être atteint lorsqu'il est sous tension.

- Les temps d'allumage et d'extinction sont des caractéristiques également indiquées pour les alimentations LED :

Temps d’allumage ou d'extinction
Sup. à 0,5 s Mauvais
0,5 s Correct
Inf. à 0,5 s Bon

- Enfin, le courant de fuite (leakage current) est également une donnée du driver qui est constamment alimenté par un courant 230 V et qui laisse passer une faible quantité de courant :

Courant de fuite
Sup. à 1 mA Mauvais
Entre 0,5 et 1 mA Correct
Inf. à 0,5 mA Bon

En cas de gradation

- Favoriser la gradation par modulation d'amplitude - notamment pour les plages inférieures à 30% de gradation -  au détriment du PWM pour éviter le papillotement (attention, il faut veiller dans ce cas à conserver les autres caractéristiques notamment en SDCM)
- Le niveau de gradation minimum est un paramètre discriminant pour exclure les drivers gradable non qualitatifs.

Minimum de gradation
Sup. à 10% Mauvais
Entre 3 et 10% Correct
Inf. à 3% Bon

- Enfin, il est nécessaire de porter une attention particulière sur les différents paramètres ci-dessus à différents niveaux de gradation (ce qui doit être indiqué dans la fiche technique fabricant) : par exemple l'efficacité varie suivant le pourcentage de gradation, ce qui peut être exprimé par un graphique.

Tunable whiteAttention, les modules LED ont des limitations en températures de couleurs (de 2 700°K à 6 500°K par exemple) mais les drivers également. Évidemment, le plus restrictif des deux s'impose, c'est à dire que si un driver ne peut gérer que de 3 000°K à 6 000°K, le module ci-dessus ne pourra pas fonctionner dans toute sa plage prévue et sera en l’occurrence limité par le driver.

Les luminaires LED

- Maitrise température : chaque fabricant de luminaire doit s'assurer qu'à l'intérieur de son luminaire les préconisations des fabricants de modules LED et driver sont respectées (l'échauffement peut être fort par exemple dans des luminaires étanches en polycarbonate). Ce point est difficile à formaliser et seule une bonne connaissance du fabricant peut garantir une bonne gestion thermique du luminaire.

- Nature de la lumière produite : le spectre électromagnétique dépend du spectre des LED mais peut être (légèrement) modifié par le système optique, par exemple si ce dernier comprend des parties colorées (aluminium anodisé doré, filtre de couleur...). Le fabricant de luminaire doit pouvoir fournir le spectre électromagnétique de son luminaire, ce qui donnera la possibilité de produire le Ra (IRC) et les Rf et Rg (TM 30-15). Pour mémoire, plus ces valeurs seront proches de 100, plus le rendu des couleurs sera proche du rendu de la lumière référente (type lumière du jour) mais d'autres effets peuvent être rechercher comme saturer une ou plusieurs teintes.

- De même, il peut y avoir une (légère) différence entre le risque photobiologique de la source LED et celui du luminaire : en effet, le système optique peut modifier le spectre et la répartition du flux lumineux (donc modifier la surface apparente de la source), ce qui peut avoir des incidences sur le risque photobiologique suivant la NF EN 62471. Évidemment, il est souhaitable de diminuer ce risque au maximum (risque 0 ou 1 donc), surtout dans des applications sensibles comme les crèches ou les hôpitaux.

- Il n'y a pas par contre d'éléments objectifs généraux concernant le système optique, l'esthétique, les caractéristiques mécaniques (IP, IK ou fil incandescent) ou électrique (classe électrique, gradation, détecteur...) car toutes ces propriétés dépendent des applications voire du goûts des parties prenantes.

Conclusion

Bien spécifier les caractéristiques des LED, alimentations et des luminaires peut permettre :
- de ne pas avoir d'impact sur la santé (papillotement et autres risques photobiologiques)
- d'avoir une durée de vie plus longue (qualité des composants, protection contre les surtensions et maîtrise de la thermique)
- de diminuer les SAV
- d'avoir une plus grande efficacité énergétique
- d'être optimum pour les rendus des couleurs
- de ne pas perturber le courant électrique du réseau (harmoniques)
- d’éclairer suffisamment sans éblouir
- de limiter les variantes de produits non qualitatifs.

mise à jour : 13 avril 2018