Dès les années 1960, les diodes électroluminescentes (LED) étaient utilisées pour les applications à faible consommation telles que les voyants lumineux ou les écrans de montre. Disponibles uniquement en rouge et en vert, les premières LED n’émettaient pas un spectre lumineux suffisant pour être en mesure de remplacer les ampoules incandescentes. Les progrès significatifs réalisés dans la croissance épitaxiale et le dopage du GaN ont toutefois permis de mettre au point la première LED bleue en 1993. Ces nouvelles LED étaient recouvertes d’un phosphore convertissant les longueurs d’onde bleues en une gamme plus large de longueurs d’onde qui apparaissent blanches à nos yeux. Grâce à leur capacité à émettre une lumière blanche brillante, les LED sont devenues une alternative viable aux ampoules incandescentes traditionnelles et couvrent presque tous les domaines d’application, allant des lampes domestiques et portatives aux éclairages publics et industriels.

Les premiers luminaires à LED commercialisés au début des années 2000 étaient plus coûteux que les dispositifs d’éclairage existants, ce qui reflétait les investissements massifs réalisés dans la recherche et le développement de cette technique émergente. Grâce à l’amélioration de leurs procédés de fabrication, les LED se sont imposées parmi les systèmes d’éclairage les plus économiques et les plus durables de la nomenclature. Les améliorations apportées en termes de prix et de performances sont essentiellement attribuables aux avancées réalisées dans la fabrication des semi-conducteurs alimentant les LED, en particulier du GaN, qui entre dans la composition des LED bleues.

Les LED étant de plus en plus sophistiquées et répandues dans le monde, le présent article de blog examine de plus près les caractéristiques qui rendent cette technologie si impressionnante, et passe en revue quelques-uns des produits à LED les plus récents.

Caractéristiques des LED

Pour trouver la solution adaptée à votre application, il est indispensable de connaître les caractéristiques des LED. Si l’efficacité énergétique joue un rôle primordial dans la conception des éclairages de bureaux, la précision du rendu des couleurs des LED est essentielle lorsqu’il s’agit de concevoir des luminaires à changement de couleur.

Vous trouverez ci-dessous quelques-unes des spécifications phares des LED.

Efficacité lumineuse et rendement lumineux

Les termes « efficacité » et « rendement » sont souvent utilisés de manière interchangeable. Bien qu'étroitement liés, ils ont des significations légèrement différentes. L’efficacité représente la quantité de lumière émise par watt, alors que le rendement indique un rapport relatif des performances.

L’efficacité lumineuse, exprimée en lumens par watt (lm/W), mesure la quantité de lumière visible produite par un appareil par rapport à la puissance d’entrée électrique.

Le rendement lumineux, exprimé en pourcentage, compare l’efficacité du dispositif à l’efficacité théorique pouvant être atteinte pour ce dispositif. Par exemple, une LED présentant une efficacité de 172 lm/W peut être comparée à une valeur théorique de référence fixée à 683 lm/W. En divisant 172 lm/W par 683 lm/W, on obtient un rendement d’environ 25 %. La valeur de 683 lm/W utilisée ici correspond à la puissance maximale d’une source lumineuse verte émettant à 555 nm – la longueur d’onde pour laquelle l’œil humain est le plus sensible. Les calculs de rendement peuvent être ajustés en fonction de la source lumineuse ; il est plus logique d’évaluer l’efficacité d’une LED blanche par rapport à l’efficacité théorique d’une LED blanche que celle d’une LED verte.

Lumens

Les lumens mesurent le flux lumineux, c’est-à-dire la quantité de lumière totale émise par une source lumineuse. En d’autres termes, plus le nombre de lumens est élevé, plus la lampe est lumineuse. Si les lumens permettent de quantifier la luminosité d’une source lumineuse, les performances réelles dépendent du dispositif d’éclairage ou du luminaire dans lequel l’émetteur est intégré. Un phare de voiture concentre la lumière en un faisceau dirigé vers l’avant alors qu’un éclairage intérieur diffuse la lumière dans une pièce. Dans les deux cas, une partie du flux lumineux de l’émetteur de lumière sera perdue à l’intérieur du luminaire car la lumière rebondit avant de s’échapper par la lentille. D’autres spécifications telles que les lux et les candelas doivent également être connues pour une évaluation plus complète des performances d’un appareil.

Lux

Le lux, exprimé en lumens par mètre carré, indique la quantité de lumière émise sur une surface. La connaissance du niveau de lux souhaité pour une surface donnée peut être utile pour évaluer la quantité de lumière dont vous avez besoin pour votre espace. La quantité de lumière requise pour les applications commerciales telles que les entrepôts ou autres lieux de travail, est souvent exprimée en lux. Ces normes sont généralement établies par des agences gouvernementales telles que l’OSHA afin de garantir la sécurité et la fonctionnalité des lieux. L’éclairement requis peut varier entre 300 et 1 000 lux pour les bureaux ou salles de classe classiques, atteindre le haut de l’échelle pour les activités de précision et les laboratoires et être inférieur à 50 lux dans les entrepôts. À titre de comparaison, la luminosité du soleil en plein été peut atteindre 100 000 lux. Plus la surface à éclairer est étendue, plus la quantité de lumens requise pour maintenir le niveau de lux souhaité augmente.

Candelas

La candela (cd) indique l’intensité lumineuse, c’est-à-dire le flux lumineux dans une direction donnée. Les candelas correspondent à la quantité de lumière émise dans une zone définie par un angle solide (cône) provenant de la source lumineuse. Pour convertir les lumens en candelas, il faut diviser l’intensité lumineuse globale par l’étendue angulaire de la source en stéradians, l’unité de mesure des angles solides dans l’espace 3D. Dans le cas d’une sphère entière (sans direction), l’étendue angulaire correspond à 4 pi et, par conséquent, une candela équivaut à 12,57 lumens pour une source lumineuse omnidirectionnelle. Comme son nom l’indique, une candela correspond à l’intensité lumineuse d’une bougie (candle en anglais). Une source lumineuse idéale diffuse de la lumière dans toutes les directions, sachant toutefois que nous n’avons généralement pas besoin d’un tel éclairage. Les candelas sont particulièrement importantes pour les applications d’éclairage directionnel telles que les projecteurs ou les phares automobiles et elles sont généralement mesurées après l’installation d’une LED lors du montage final d’un luminaire avec les éléments optiques associés. La mesure des candelas permet de déterminer la quantité de lumière émise dans l’espace où nous en avons besoin.

Indice de rendu des couleurs

L’indice de rendu des couleurs (IRC) rend compte de la capacité d’une source lumineuse à restituer les couleurs des objets illuminés par rapport à la lumière du soleil. L’IRC est exprimé sur une échelle de 0 à 100, la lumière idéale du soleil ayant un indice de 100. La lumière du soleil contenant l’intégralité du spectre des couleurs, elle restitue fidèlement la couleur des objets qu’elle éclaire. Lorsqu’une source de lumière n’englobe pas la totalité du spectre lumineux, les objets qu’elle éclaire peuvent paraître ternes ou délavés car leurs couleurs ne sont pas correctement restituées.

La conception de LED offrant un IRC idéal nécessite une ingénierie de grande précision et les concepteurs doivent tenir compte du niveau d’IRC requis pour leur application. Un IRC compris entre 70 et 80 suffit pour les éclairages haute puissance en extérieur. Un IRC supérieur à 80 est plus adapté pour un éclairage intérieur, la plupart des ampoules grand public offrant un IRC d’au moins 90. Dans les applications où le rendu des couleurs est primordial, comme les galeries d’art et les commerces de luxe, les LED peuvent atteindre un IRC de 98.

Température de couleur corrélée

La température de couleur corrélée (CCT), exprimée en kelvins (K), caractérise la température de couleur d’une source lumineuse sur une échelle allant de 1 000 K (lumière d’une bougie) à 10 000 K (ciel bleu). Au bas de l’échelle (< 3 000 K), les sources lumineuses émettent une lumière douce aux tons chauds. Ce type d’éclairage est idéal pour une utilisation dans les pièces de la maison ou dans des espaces intérieurs tels que les restaurants où la lumière chaude procure une sensation de confort et de détente. Le blanc neutre, qui se situe entre 3 500 K et 4 000 K, imite la lumière du jour et convient particulièrement pour les bureaux et les espaces commerciaux. Le blanc brillant, qui varie entre 5 000 K et 5 700 K, imite la limite directe du soleil et fournit une lumière vive et éclatante, idéale pour les stades, les travaux de précision et les entrepôts. Le blanc froid, à partir 6 000 K, convient particulièrement pour les applications agricoles.

Durabilité

La gestion thermique est un facteur essentiel que les concepteurs doivent prendre en compte lorsqu’ils utilisent des LED à haute puissance. La moitié ou plus du courant consommé est transformée en chaleur qu’il s’agit d’évacuer pour garantir la longévité des LED.

Les transitoires et les surtensions pouvant entraîner une réduction de la durée de vie des LED, les concepteurs doivent recourir à des technologies de suppression des transitoires et utiliser des dispositifs sur la carte contrôleur LED afin de les protéger contre les pics de tension et de courant dommageables. Par ailleurs, le courant d’alimentation doit également faire l’objet d’un contrôle précis. Une surcharge des LED peut entraîner une production de chaleur supérieure à ce que la conception thermique peut gérer, d’où les précautions particulières à prendre lors de la conception de la carte contrôleur LED.

Une attention particulière doit également être portée à l’environnement d’exploitation. Les LED sont utilisées dans les espaces intérieurs et extérieurs. Leur conception doit être adaptée aux environnements difficiles et leur fonctionnement dans des conditions de température et d’humidité ambiante peut affecter leurs performances et leur longévité.

Lorsqu’elles ne sont soumises à aucune contrainte excessive, les LED ont une durée de vie bien supérieure à celle des ampoules à filament. Une ampoule à filament classique présente une longévité de 1 000 à 1 500 heures alors que les LED sont conçues pour durer plus de 50 000 heures. Encore une fois, la durée de vie des LED dépend considérablement du niveau de protection de la carte contrôleur contre les pointes et les surtensions, de la capacité des dissipateurs thermiques à évacuer la chaleur du composant à LED ainsi que des facteurs environnementaux tels que la température ambiante.

Des performances exceptionnelles avec les Cree LED XLamp® XP-G4

Face aux nombreux défis en matière de conception des LED, la Cree LED XLamp® XP-G lancée en 2009 offre des niveaux de performance sans précédent, produisant jusqu’à 400 lumens à 1 A. Ce niveau de luminosité et d’efficacité a permis d’ouvrir de vastes domaines d’applications d’éclairage tels que l’éclairage domestique, l’éclairage sur rails, l’éclairage commercial général ainsi que des luminaires encastrés aux exigences de chaleur et de puissance minimales.

La LED XLamp® XP-G2 a rapidement suivi avec un rendement lumineux augmenté de 20 %, avant de laisser place à la LED XP-G3 lancée en 2016 avec une luminosité augmentée de 31 % et une puissance élevée de 8 %. Qui dit efficacité plus élevée dit plus de lumière avec moins d’énergie et de chaleur. Grâce à leur niveau d’intensité plus élevé, ces lampes conviennent parfaitement pour les applications médicales qui requièrent une lumière focalisée à haute intensité sans trop de chaleur. Les applications biomédicales de photothérapie peuvent également profiter de cette intensité compacte. À une plus grande échelle, les ampoules halogènes ou à gaz onéreuses pourraient être remplacées par des équivalents à LED pour l’éclairage public. Les éclairages de scène et les projecteurs pourraient fonctionner à une température moins élevée en exigeant moins de puissance. Le prolongement de la durée de vie et l’amélioration de la fiabilité ont permis aux utilisateurs finaux de bénéficier de performances durables. La sous-couche céramique et le conditionnement du dissipateur thermique ont facilité la conception et la gestion thermique pour les ingénieurs.

La famille la plus récente et la plus moderne, les LED XLamp® XP-G4 (figure 1), continue de repousser les limites de la performance et de l’efficacité en émettant 75 % de lumens en plus que les LED XP-G2 et en offrant une résistance thermique encore plus faible qui lui permet d’expulser la chaleur plus rapidement. Leurs performances thermiques supérieures leur permettent de supporter un courant nominal de 3 A, contre 1,5 A pour la XP-G2. La capacité d’utiliser plus de courant efficacement et en toute sécurité permet aux concepteurs d’optimiser les applications exigeantes telles que l’éclairage sportif.

Les LED XLamp XP-G4 fournissent des angles de faisceau uniformes et plus étroits, offrant des performances exceptionnelles pour les applications d’éclairage directionnel. Elles bénéficient d’une surface émettrice de lumière (LES) bien définie qui permet de configurer les composants optiques de manière à tirer le meilleur parti de la lumière émise par les LED, réduisant ainsi tout gaspillage lumineux. Couvrant une large gamme d’options IRC jusque 90, la XP-G4 convient à une multitude d’applications, de l’éclairage portatif et intérieur à l’éclairage des stades.

Elle profite également aux applications agricoles grâce à la possibilité d’ajuster finement les couleurs de manière à créer des systèmes d’éclairage de culture à haute puissance avec des couleurs ciblées, et ce à des intensités plus élevées, tout en consommant moins d’énergie et en produisant moins de chaleur. Des systèmes d’éclairage spécifiques peuvent être optimisés pour des plantes et des cultures particulières. La technologie avancée du dissipateur thermique et le spectre finement ajustable offrent une mise à niveau flexible des solutions d’éclairage de culture existantes.

En utilisant le même boîtier pour toute la série XP-G, Cree LED a fourni aux ingénieurs un chemin de migration direct qui permet d’accroître les capacités des produits existants et de les utiliser dans de nouvelles applications en offrant une luminosité améliorée ou des caractéristiques spectrales. Les ingénieurs peuvent aussi simplement utiliser les LED les plus récentes pour refroidir les appareils d’éclairage actuels tout en maintenant les niveaux de luminosité actuels, et améliorer ainsi leur fiabilité générale et leur durée de vie.

Conclusion

Les LED ont parcouru un long chemin depuis leurs modestes débuts en tant que voyants lumineux et écrans de calculatrices. Grâce à leur capacité à émettre une lumière extrêmement brillante dans une large gamme de couleurs, les LED sont devenues une solution fiable et économe en énergie qui convient à presque toutes les applications d’éclairage. Cree LED met son expertise en matière de LED à votre service afin que vous puissiez bénéficier d’une technologie d’éclairage de pointe et l’adapter au mieux à votre application de manière à réduire votre temps de conception.