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Les diodes électroluminescentes

Principe
 
Une source de lumière mais pas une lampe. Une diode électroluminescente, ou led (de l’anglais light emitting diode – le français DEL reste très peu utilisé), est un composant électronique capable d’émettre de la lumière lorsqu’il est parcouru par un courant électrique. Une diode électroluminescente ne laisse passer le courant électrique que dans un sens et produit un rayonnement monochromatique incohérent à partir d’une transformation d’énergie.
 
Émission de lumière : une led fonctionne sur le principe d’une jonction PN qui est en fait un semi-conducteur ayant deux régions de conductivité différente : l’une de type P, constituée essentiellement de charges positives (les trous), et une autre de type N constituée essentiellement de charges négatives (les électrons), ainsi qu’une région de recombinaison radiative. Sous l’effet d’une différence de potentiel, les électrons se recombinent avec les trous dans la région de recombinaison radiative. Cela engendre un faisceau lumineux, dont la nature dépend des caractéristiques des matériaux constituant la jonction.
Exemples d'application Lumière monochromatique Des œuvres préservées grâce aux projecteurs leds
 
L’exposition  » Sur le papier  », du Museum Kunst Palast (Palais-musée des Beaux-Arts) de Düsseldorf, en Allemagne, présente 5 siècles de dessins rarement exposés, éclairés dans un souci de préservation des œuvres, par des projecteurs à leds Erco. Sur les projecteurs Optec, le système optique et le boîtier du ballast sont séparés. Le boîtier porte-lampe, positionné latéralement, peut ainsi être tourné jusqu’à 180°, ce qui permet d’orienter la lumière avec la plus grande précision. Les leds haute performance utilisées, en blanc chaud, produisent une lumière sans rayonnement infrarouge et UV susceptibles d’endommager les œuvres. L’association d’un collimateur, qui dirige d’abord la lumière de manière parallèle, et d’une lentille Spherolit, qui détermine l’angle de rayonnement, permet d’obtenir des faisceaux intensifs et semi-intensifs, assurant ainsi une mise en scène optimale des œuvres, quel que soit leur format. Pour des œuvres graphiques et des dessins sur papier ou parchemin, l’éclairement ne doit en général pas dépasser 50 lux. Le degré de gradation peut s’ajuster individuellement sur chaque projecteur, grâce au potentiomètre du ballast.
Blanc homogène et gradation Prises de vues TV et confort des utilisateurs
 
L’éclairage du nouveau plateau du journal télévisé de France 2 devait répondre au cahier des charges, défini par le décorateur Olivier Illouz et le directeur de la photographie Frédéric Dorieux. Ce dernier regroupait des contraintes liées à la fois aux prises de vue TV et au confort des utilisateurs :
 
. source lumineuse de 4 000 K avec blanc homogène ;
 
. économies d’énergie (réduction de la puissance consommée) ;
 
. produits de faible encombrement (pour un éclairage indirect intégré dans des matériaux plastiques) et contrôle thermique ;
 
. gradation obligatoire (pour l’accentuation des flashs d’information) ;
 
. longue durée de vie (réduction des interventions de maintenance).
 
Osram, travaillant en collaboration avec l’intégrateur Luminescence, a proposé des bandeaux à leds Linearlight Power Flex (120 au total) placés en rétro-éclairage dans le faux plafond et le sol ainsi que dans les totems entourant le plateau. L’ensemble est piloté par système DMX. Économies d’énergie : 48 W au lieu de 72 W.
Ambiance Un hôtel « tout leds »
 
Le groupe Murano Hotels & Resorts vient d’ouvrir à Saint-Tropez son tout dernier établissement : le KUBE, complètement éclairé en leds. Les 41 chambres et suites bénéficient d’un éclairage général réalisé à l’aide de systèmes Philips eW Downlight PowerCore et les têtes de lits sont éclairées par des appliques SpotLed. A l’extérieur, la façade est mise en valeur par des lignes lumineuses Flex LED et des projecteurs encastrés de sol LEDline² tandis que des projecteurs encastrés étanches Underwater LED illuminent les piscines. Quant au IceBar, il bénéficie d’un éclairage réalisé à partir de luminaires linéaires LED IcolorGraze PowerCore. Même la cave à vins met en œuvre des leds via des suspensions Pendalyte et des plafonniers LED eW DownLight PowerCore. L’installation bénéficie ainsi d’un coût d’exploitation réduit lié à une longue durée de vie et une faible consommation d’énergie.
Point de vue BENJAMIN MONTEIL, ingénieur, responsable de LED-fr.net « Leur contribution au progrès se poursuivra »
 
« À coût constant, les performances desleds doublent tous les 24 mois, tandis que les coûts sont divisés par 10 toutes les décennies. Cela préfigure des applications nouvelles. Les chercheurs pensent aboutir à une efficacité lumineuse d’environ 300 lm/W. Il semblerait que les leds révolutionnent le monde des sources lumineuses, en particulier dans leur aptitude à créer des applications et des besoins. Pourraient-elles remplacer la quasi totalité des sources lumineuses ? Certainement pas, mais elles pourraient se positionner comme source principale du marché. Elles sont déjà actrices du développement durable et il se peut que leur contribution au progrès se poursuive, par le biais de leurs évolutions technologiques ou par celui des OLEDs (leds organiques), utilisées surtout pour la confection d’écrans ultraminces déjà fonctionnels. Enfin, les leds continueront à se développer, offrant d’autres possibilités d’applications en éclairage… »

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Au moment de la disparition des lampes incandescentes classiques, économies d’énergie obligent, les professionnels de l’éclairage recherchent de plus en plus l’efficacité énergétique. Si les leds constituent l’une des réponses, leurs limites techniques sont à connaître pour en tirer le meilleur parti.

Une led est essentiellement composée d’une puce, qui émet des photons, et d’un boîtier, qui protège l’assemblage. Dans les diodes, l’émission de lumière est provoquée par la recombinaison des électrons et des ions positifs à la séparation d’une jonction n-p (voir encadré), sous l’influence d’un champ électrique continu. C’est en 1907 que l’anglais Henry Joseph Round découvre la possibilité d’émettre de la lumière par un semi-conducteur. Vingt années plus tard, le technicien radio russe Oleg Vladimirovich Losev explique comment les électrons, en perdant de l’énergie, peuvent produire de la lumière sans dégager de chaleur. Sa demande de brevet restant sans réponse, il faudra attendre 1955 pour que le physicien américain Rubin Braunstein découvre l’émission infrarouge de l’arséniure de gallium et d’autres types de semi-conducteurs.

Enfin, en 1962, l’Américain Nick Holonyak Jr. Américain (Compagnie General Electric) est le premier à créer une diode à spectre visible. Mais en 1992, le Japonais Shuji Nakamura met au point une led bleue à base de nitrure de gallium (GaN), un matériau semi-conducteur beaucoup plus efficace que ses prédécesseurs ; il réalise ensuite une led blanche qui va révolutionner le monde de l’éclairage, en particulier avec le développement des leds de forte puissance (supérieur à 1 W).
 

Les indicateurs lumineux

 
Les premières leds commercialisées se limitèrent tout d’abord aux indicateurs lumineux rouges car leurs composants (arséniure phosphure de gallium : GaAsP) ne permettaient pas d’obtenir d’autres couleurs. Entre 1960 et 1970, elles pénètrent le marché de l’affichage numérique, dans les calculatrices, puis dans les montres-bracelets. Mais, les industriels, séduits par leur faible consommation (moins de 1 W) et leur longue durée de vie (100 000 h), provoquent une production de masse entraînant une diminution de leur coût de fabrication. Dans le même temps, les progrès réalisés dans la technologie des semi-conducteurs GaP (phosphure de gallium) permettent l’apparition des leds vertes. Bien que leur efficacité soit moindre, la sensibilité de l’œil humain dans le vert compense cet effet (une led verte avec la même brillance que la rouge).
 
Les premières utilisations des leds sont assez limitées car leur efficacité lumineuse générale est faible, de l’ordre de 1 lumen par watt (lm/W), mais suffisante pour la signalisation sur tableau, ou pour les feux de circulation (feux tricolores, passages piétons). Une diode électroluminescente appliquée à l’éclairage apparaîtra dans les années 90. À compter de cette date, il est possible de créer une lumière blanche : sur la base d’un mélange de rouge, vert et de bleu ou sur la base de bleu et d’ajout de phosphore jaune.
 
Les leds deviennent ensuite des éléments incontournables des applications colorées en balisage, ou illuminations. Cependant, les résultats sont incertains. Pierre Martin, directeur Service prescription grands comptes, chez Thorn, se souvient : « Au début des années 2000, nous avons éclairé une façade d’immeuble de bureaux avec des leds blanches. au moment de l’installation, nous avons constaté qu’il y avait trop de nuances de blanc et avons dû remplacer toutes les sources par des tubes fluorescents. » Et Philippe Ferreira, chargé de projet, spécialiste Leds DMX d’ajouter : « Aujourd’hui, le problème est connu et les fabricants de leds, tout comme les fabricants de luminaires, conjuguent leurs efforts pour développer des produits efficaces. » De plus, comme toute source de lumière, les leds sont intégrées dans des luminaires dont les systèmes optiques peuvent faire varier de façon notable leurs performances techniques.
 

Maîtriser la couleur de la lumière blanche

 
La température de couleur s’exprime en kelvin (0°K = -273,15 °C) et caractérise la répartition énergétique du rayonnement au sein des différentes longueurs d’onde constituant le spectre d’émission de la source lumineuse. Elle fait appel à la notion de corps noir. À 5 500 K, un corps noir émet à peu près la même quantité d’énergie dans toutes les longueurs d’onde. C’est à cette température que les couleurs nous semblent naturelles.
 
En dessous, la lumière devient de plus en plus orangée (type lampe incandescente classique) et elle est perçue comme chaude. Au-dessus de 5 500 K, la lumière devient de plus en plus bleuâtre, et semble froide.
 
Deux techniques existent pour obtenir des leds blanches : la première consiste à mélanger les trois couleurs fondamentales issues de trois diodes (rouge, verte et bleue) pour restituer une répartition spectrale de la lumière. La seconde convertit en lumière blanche la radiation bleue émise par une diode avec des phosphores.
 
Au sein d’un même lot de diodes (plusieurs centaines), il est difficile d’obtenir un blanc homogène et les industriels s’emploient aujourd’hui à « trier » (binning) les leds afin de fournir une lumière blanche uniforme. Philippe Regnier, Leds business Manager, division professionnelle, Philips Lighting, précise : « C’est l’amélioration du dépôt de phosphore par la maîtrise de l’encapsulation de la puce des leds blanches qui permet d’obtenir des températures de couleurs homogènes ».
 
Il est difficile aujourd’hui de donner des valeurs relatives à l’efficacité lumineuse (rapport du flux lumineux émis pour 1 W, exprimée en lumens par watt, lm/W) compte tenu de la rapidité des progrès réalisés en la matière. En fait, « l’innovation dans le domaine est telle que ce qui est vrai aujourd’hui est faux demain », explique Philippe Dramard, directeur marketing, GE Lighting. Et pour Thomas Goblet, directeur commercial Prescription et intégrateurs : « Notre métier et notre expérience d’éclairagiste nous incitent à la prudence. Pour ce, GE a attendu un peu afin de proposer des produits économiquement viables avec une fiabilité de l’ensemble des caractéristiques sans compromis sur le confort de l’utilisateur ». En effet, la précipitation des laboratoires des différents fabricants à annoncer de nouvelles améliorations – relatives à 1 led – et les performances réelles des produits commercialisés (lampes composées de plusieurs leds) ajoutent à la confusion. Si les 100 lm/W ont déjà été atteints en laboratoire, les systèmes que l’on trouve sur le marché affichent plutôt une efficacité lumineuse entre 40 et 80 lm/W, selon les modèles.
 
Chez Osram, Jean-Marc Deck, conseiller technique, préfère parler de « constance des performances dans le temps ». L’amélioration de l’efficacité lumineuse est étroitement liée à l’utilisation de nouveaux matériaux ainsi qu’à la mise au point et à la maitrise de nouveaux process qui permettent d’obtenir des installations « rentables ».
 
L’indice de rendu des couleurs caractérise l’aptitude d’une une source à restituer le plus fidèlement possible les couleurs qu’elle éclaire. La source de référence, dotée d’un IRC de 100, est le corps noir. Initialement, la Commission internationale de l’éclairage (CIE) a défini l’IRC comme une moyenne de notes jugeant la capacité d’une source à reproduire 14 couleurs. Les lampes fluorescentes ne reproduisant pas bien le rouge, la CIE a révisé la méthode pour réduire le nombre d’échantillons de 14 à 8. Mais les IRC calculés ne correspondent pas à l’effet ressenti par les personnes éclairées par des leds blanches, du coup, la définition actuelle de l’IRC n’est pas vraiment explicite pour ces dernières. Il est donc nécessaire de la revoir et plusieurs méthodes sont en cours d’étude.
 
Pour l’heure, les diodes électroluminescentes affichent un IRC supérieur à 85.
 

Excellent éclairage muséologique

 
Comme tout semi-conducteur, la led produit de la chaleur par l’arrière, il faut par conséquent assurer une bonne dissipation thermique pour obtenir le flux optimal et conserver une longue durée de vie. C’est donc le radiateur dédié (ou mieux intégré au luminaire qui l’entoure) qui fait toute la différence. Le système développé par Philips Lighting en 2008 pour l’immeuble de bureaux avenue des Champs-Élysées (voir CTB N°286) fut le premier conçu pour des modules 600 mm x 600 mm intégrés dans un faux plafond.
 
Les leds offrent des teintes vives et saturées sans utilisation de filtre et permettent un contrôle dynamique de la couleur, avec possibilité de gradation sans variation. Selon David Madéore, responsable du bureau d’études chez Erco : « La flexibilité des leds en matière de gestion nous permet de développer des luminaires à leds dédiés à l’éclairage des musées où les temps d’exposition peuvent être programmés en fonction de la fragilité des objets ».
 
Un groupe international d’entreprises du secteur de l’éclairage parmi lesquelles Acuity Brands Lighting, Cooper Lighting, Osram, Panasonic, Philips, Schréder, Toshiba, Trilux et Zumtobel group, vient d’annoncer la création de Zhaga, un consortium industriel qui devrait faciliter l’interchangeabilité des produits leds des différents fabricants. Les normes mises en place engloberont les dimensions matérielles ainsi que les comportements photométrique, électrique et thermique des modules leds. Enfin, le nombre de membres du consortium devrait croître.

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