Source Led et Driver
Source LED
Depuis 2012, les sources Leds remplacent progressivement les sources halogène, fluorescentes et sodium, aussi bien pour l’éclairage tertiaire qu’urbain. Les Leds ont rapidement dépassé l’efficacité lumineuse des sources fluorescentes, puis sodium, permettant des réductions de consommation énergétique, couplé à une excellente durée de vie.
Évolution de l’efficacité lumineuse
- 2006 : 40 lm / W
- 2008 : 50-80 lm / W
- 2017 : 80-150 lm / W
- 2024 : 150 - 220 lm / W
- Durée de vie : Après 50 000 h, 70 % du flux initial soit pour une application bureau environ 18 ans sans maintenance .
- Choix en matière d’ambiance lumineuse : 2700 K à 6500 K
- Possibilité de gradation de 0 à 100 %
- Allumage instantané
- Une bonne qualité de lumière (en blanc chaud, IRC supérieur à 80)
- Pas de chaleur rayonnée dans le faisceaux lumineux
- Pas d’émission d’UV
- Petites dimensions & faible poids
- Robustesse
- Il faut une électronique dédiée pour piloter une LED
- Les LED ne supportent pas les hautes températures (> 40°C)
- Les LED bleues ainsi que les LED blanches contiennent un spectre bleu de forte intensité dangereux pour la rétine si elles entrent dans le champ de vision, même périphérique. Ceci est bien sûr proportionnel à leur puissance, et devient de plus en plus préoccupant. Les LED à IRC de 90 limitent ce phénomène et sont à préconiser pour les lieux de petite enfance.
Spectre de la LED pour $\neq$ températures de couleur
Le spectre des Leds est associé à une forte composante bleue. Plus la température de couleur dépasse les 4000 K, plus la composante bleue devient prépondérante. Dans les Leds de premières générations, cette composante bleue était encore plus importante et l’on se posait la question sur l’influence de l’éclairage Led et les problèmes de dégénéréscence maculaire. Les nouvelles génération de Led limitent cette composante, notamment sur la température de couleur de 3000 K.
Spectre de la LED pour $\neq$ IRC
Dans l’idéal, les sources lumineuses devraient générer l’équivalent du spectre “lumière du jour” (Sunlight) pour que l’on puisse saisir toutes les nuances de couleurs facilement, càd, avoir un IRC de 100.
- Pour le spectre de la Standard LED, on remarque une forte composante de Bleu au détriment des composantes spectrales de couleur cyan et vert-clair. Cette source LED low-cost possède un IRC compris entre 70 et 80 ce qui est passable.
- La Led TRI-R Sunlike est une association de plusieurs Led pour fournir le spectre le plus proche de la lumière du jour. Ce type de Led ont un IRC supérieur à 90, voir proche de 100 dans ce cas précis. La composante spectrale de Bleu est diminuée au profit des composantes spectrales qui manquaient dans le cas de la Led Standard.
- Les sources de type tube fluo ou fluocompacte ont un spectre discontinu avec de nombreuses gammes de longueur d’ondes manquantes. L’IRC associé à ces sources est souvent de 80 ce qui est moyen.
Remarque : Les Sources LED avec un IRC faible ont souvent la meilleure efficacité énergétique,
- pour de l’éclairage urbain, on privilégie l’efficacité lumineuse,
- pour un atelier de carrosserie, on privilégie l’IRC de 90.
Ellipse de McAdam et SDCM
Les caractéristiques de production des LED sont très variables et nécessitent donc un tri spécifique appelé binning, pour assurer l’homogénéité du flux mais également générer des couleurs suffisamment proches.
Le concept d’ellipse de McAdam, permet de définir des espaces colorimétriques d’un même aspect dans le diagramme CIE.
Le SDCM (Standard Deviation Colour Matching)
permet de caractériser la taille de l’ellipse de McAdam.
- Le SDCM est un chiffre compris entre 1 et 8
- plus le chiffre est petit, plus l’ellipse aura des dimensions faibles et plus étroite sera la tolérance chromatique.
- Les LED de qualité sur le marché proposent un SDCM 3 ou 4.
- Les teintes dévient avec le viellissement.
- Une source LED peut avoir un SDCM de 3 à l’achat et un SDCM de 5 après 6 000 h d’utilisation
Caractéristiques photométriques des LED
Un standard efficace a vu le jour pour résumer les caractéristiques photométriques d’une source :
Exemple : pour une source Led avec le code photométrique : 830 / 469
| Chiffre | Signification |
|---|---|
| 8 | IRC compris entre 80-89 |
| 30 | Température de couleur de 3000 K |
| 4 | Taille de l’ellipse SCDM en début de vie |
| 6 | Taille de l’ellipse SCDM à 25% de la durée de vie (maximum 6 000 h) |
| 9 | Flux après 25% de la durée de vie (maximum 6 000 h) supérieur à 90% |
Durée de vie des LED
Bien qu’elle émette peu d’infrarouge comparé à une lampe halogène, la Led chauffe et il est nécessaire d’assurer une bonne dissipation thermique si l’on souhaite atteindre une durée de vie > 10 000h.
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.
| Notation | Signification | Exemple |
|---|---|---|
| L | % du flux intial | L70 signifie que le module fournira 70% de son flux initial |
| B | % de Led en dessous de la valeur L | L70B10 signifie que 10% des Leds seront en dessous des 70% du flux initial ou que 90% des Leds seront au-dessus des 70% du flux initial |
| C | % de Leds défaillants | C10 signie que 10% des Leds sont défaillantes |
| F | % total des Leds en dessous de la valeur L (combinaison de B et C) | L70F10 signifie que 10% des modules seront considérés comme défectueux ou possédant une valeur inférieure à 70% du flux initial |
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.
On remarque que pour augmenter la durée de vie des Leds, il faut intégrer les luminaires Leds de manière à maximiser l’évacuation de la chaleur.
Alimentations LED
Pour alimenter les LEDs en tension continue, il est nécessaire dans le cas d’un réseau monophasé de placer une alimentation (driver) entre la source LED et le réseau électrique.
Les différents types de driver :
- Driver à courant constant (le + fréquent)
- Driver à tension constante (pour bandeaux leds)
Dans ces driver, il existe des sous familles :
- à sortie fixe
- à sortie variable (dimmable)
- à interface DALI, DMX, …
Quels sont les paramètres à vérifier :
- Puissance du driver (à calculer en fonction de la charge)
- Pour une source à courant constant : la plage de tension de sortie possible
- Pour une source à tension fixe : le courant max qui peut être fourni
- Le facteur de puissance du driver
- La durée de vie en fonction de la température de fonctionnement
- Les THD, la compatibilité CEM…
Alimentation source de tension / source de courant
- Plusieurs diodes montées en série, donc parcourues par le même courant, émettrons chacune le même flux.
- Si elles sont montées en parallèle, chaque LED sera alimentée par la même tension, et parcourue par un courant différent du fait de la dispersion de la caractéristique Courant (I)/Tension (V), et émettra donc un flux différent.
| Alimentation en tension | Alimentation en courant |
|---|---|
|
|
| Même tensions dans les deux diodes -> Courants et flux lumineux différents | Même courant dans les deux diodes -> Même flux lumineux |
- Les bandeaux LEDs se basent sur des LEDs branchées en parallèle pour être sécables, d’où l’utilisation de sources de tension.
- Les luminaires LEDs classiques ont un driver source de courant.
Alimentation source de courant
Une alimentation source de courant permet de maintenir un courant constant dans la charge quel que soit la tension vue aux bornes de la source (dans un certain interval) Une modulation PWM permet de régler la valeur du courant fourni à la LED.
|
|
|---|
Le driver LED ci-dessus permet de générer du courant jusqu’au courant max de réglage de 400mA pour une puissance de 10W.
Différents réglage de courant max sont possible :
- pour un courant réglé à 400 mA, la tension max de sortie du driver est de 25V
- pour un courant réglé à 250 mA, la tension max de sortie du driver est de 40V
- pour un courant réglé à 150 mA, la tension max de sortie du driver est de 40V également.
Association avec une source LED
On souhaite associer le driver de courant avec la source LED dont les caractéristiques sont les suivantes:
Le driver est il adapté ?
Réponse (cliquer pour révéler)
- le courant du driver peut être réglé entre 150 et 400 mA, cette source Led demande 200 mA -> OK
- la tension demandée par la source est au maximum de 27V pour 45°C, le driver est capable de fournir 40V pour 200 mA -> OK
- d’autres aspects sont à vérifier mais sont hors cadre de l’exercice.
Caractéristiques de la source de courant
| Facteur de puissance en fonction de la charge | Rendement en fonction de la charge |
|---|---|
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- Plus on est proche de la charge nominale, meilleur devient le facteur de puissance
- Pareil, pour le rendement, plus on est proche de la charge nominal, meilleur devient le rendement du driver|
Remarques
- Le driver est prévu pour obtenir les meilleurs performances sous une charge de 100% avec courant max à 400mA.
- Quand on effectue de la gradation, la consommation de la LED diminue, mais le rendement du driver diminue également.
Il est de choisir l’alimentation (driver) adaptée à la source LED que vous souhaitez piloter. Si vous restez chez un même fabricant pour les sources LEDs et l’alimentation, les préconisations sont données dans la documentation. Si vous faites du mixage, il est nécessaire de vérifier la compatibilité des caractéristiques électriques entre l’alimentation et la source LED.
Exercices bilan
Dans le PDF ci-dessous, quelques exercices sur :
- les caractéristiques photométriques d’une source LED
- l’analyse d’un driver de courant LED