La led, un élément d'éclairage

La led est mise à toutes les sauces depuis quelques années. On entend tout et n’importe quoi à son sujet. Ce composant miniature doté de capacité remarquable est de plus en plus à la mode. On la trouve partout, dans des éclairages, dans les phares de nos voitures, dans la décoration. Mais la led serait-elle capable de révolutionner l’ampoule à incandescence classique? Peut-on à notre époque s’éclairer avec des leds? Cet article se voudra le plus objectif possible à ce sujet en décrivant les leds dans un premier temps avec leurs performances et leurs utilisations. Ensuite nous réaliserons un par (projecteur) à Leds (Par16). Nous n'aborderons pas le fonctionnement même de la led et sa construction. Beaucoup de site expliquent très clairement les propriétés de la jonction PN qui est derrière. Nous nous focaliserons sur l'utilisation de la led comme élément d'éclairage ou de décoration.

Il y a Led et Led

Avant l’an 2000 les leds c’étaient principalement des petits témoins lumineux rouges, bleus, verts, jaunes, … On les retrouvait le plus souvent sous forme d’une petite bulle de 3 ou 5mm de diamètre. Les leds comme on trouve sur un appareil électronique pour attester de son état sont des témoins de très faible intensité, quelques milli candela. Le candela (cd) est l’unité de l’intensité lumineuse perçue par l’œil. 1 Candela correspond à la luminosité fournie par une bougie.

Ces leds consomment un maximum d’une vingtaine de milli-ampère. C'est une valeur faible. Si on regarde en termes de puissance, on remarque que cette dernière est faible également: U valant moins de 2V, I= 20mA, la puissance consommée est donc de P=U*I=0.04W. Cette puissance traduit quasi directement la puissance qui va être dissipée sous forme de chaleur. Avec ces valeurs là on ne remarque aucune augmentation de température.

On crée ensuite des leds dites de haute luminosité, la puissance consommée est quasi la même, mais le rendement est supérieur: on atteint alors une intensité lumineuse de 10 à 20 cd. A base de ces leds, on trouve des petites ampoules constituées le plus souvent d’une bonne vingtaine de leds. On se retrouve alors avec un éclairage d’environ 500cd (25 * 20 cd). Mais cela peut-il remplacer une ampoule classique?

Stéradian, Lumen et Lux, tout s’éclaire

Pour comparer deux éclairages, il est nécessaire d'étudier des caractéristiques objectives. Nous avons déjà vu qu'un éclairage peut être caractérisé par son intensité lumineuse en candela. La seconde caractéristique dont nous allons parler est l’ouverture de la led. Quand on place au plafond une lampe à incandescence de 60W, la luminosité se répand dans toute la pièce car elle éclaire tout autour d’elle. Dans le cas d’une led, la lumière émise est directionnele à l'intérieur d'un faisceau. Pour les petites leds dont nous avons parlé jusque maintenant, l'ouverture de ce faisceau est de 20°.

Pour pouvoir comparer les éclairages avec des valeurs, nous allons définir des grandeurs et les relations entre ces dernières.

De façon pratique nous définirons les termes suivants:

• Le candela comme déjà défini est l’intensité lumineuse perçue par l’œil, c’est-à-dire le rayonnement lumineux qui nous arrive à l’œil. Si l'oeil regarde en dehors du faisceau de la source lumineuse, ce rayonement peut être nul (on est situé derrière), tout comme il peut être très fort si on est situé face à lui (une led de haute luminosité comme celle présentée jusque maintenant peut aisément aveugler si elle est fixée par l'oeil).

• L’angle d’ouverture traduit le cône dans lequel la lumière va être émise. Pour une lampe classique, cette angle est de 360° (ou presque) mais il est souvent rapporté à un angle plus faible pour concentrer le rayonement vers l'endroit où on souhaite éclairer (pas besoin d’éclairer le plafond, dès lors on place un collimateur). Comme nous l’avons vu, pour une petite ampoule de 25 leds haute luminosité, l’angle est de 20°. L'angle solide est une unité de grandeur définie par le stéradian (sr), pour le calculer :

Ω(sr) = 2*π(1- cos(angle d'ouverture en degré/2))

Pour notre ampoule à led d’une ouverture de 20° l’angle solide vaudra:

Ω = 2*π(1- cos(20°/2))= 0.095 sr (stéradian)

Pour 360° d'ouverture, l'angle solide vaudra 12.57 sr

• Le lumen est le flux lumineux émis… Ce qui signifie le nombre de candela de la source multiplié par le nombre de stéradian (sr) de la source. Le lumen donne la quantité de lumière totale qui est émise par la source.

• Le Lux: ce dernier va traduire l’éclairement, il se calcule en divisant le flux lumineux en lumen par la surface qui est éclairée (dépend donc de la distance entre la source de lumière et l'élément éclairé). Le nombre de lux va permettre d’établir des standards pour classer si une pièce est correctement éclairée ou non. Ainsi:

§ nuit de pleine lune: 0,5lux

§ rue de nuit bien éclairée: 20 - 70lux

§ local de vie: 100 – 200lux

§ appartement bien éclairé: 200 - 400lux

§ local de travail: 200 - 3000lux

§ stade de nuit: 1500lux

§ extérieur par ciel couvert: 25000lux

§ extérieur en plein soleil: 50000 à 100000lux

Nous voyons par exemple qu’une pièce de vie doit être éclairée par 100-200 Lux pour être agréable à vivre.

Le graphique ci-dessous reprend de façon visuelle les explications ci-dessus.

Comparons maintenant notre ampoule à led, avec une lampe à incandescence de 60W.

On placera la lampe à une distance de 2m d'un mur. Dans le cas de la lampe à led:

• Ouverture 20°, donc 0.095sr

• intensité: 500cd

• flux lumineux: 500cd*0.095sr = 48lm

• Surface éclairée à 2m: 4*π*2²*(0.095/12.57) = 0.38m²

• Eclairement sur la surface: 48lm/0.38m² = 126lx

Dans le cas de l’ampoule:

• Ouverture 150°, donc 4.66sr (nous n’éclairons pas le plafond, ou alors comme les plafonds sont souvent blancs, ils jouent office de réflecteur)

• Flux lumineux: 1200lm (environ mais dépendant de la qualité de l’ampoule)

• Surface éclairée 2m: 4*π*2²*(4.66sr/12.57sr)=18,6m²!!!!

• Eclairement de la surface: 1200lm/18.6m² = 65lx

Comment interprétrer ces résultats?

Considérons un local de 4m sur 3m. Considérons qu’on éclaire les 4 murs jusqu’à 2m et le sol (pas le plafond). Nous avons une surface totale de:

2*(4*2)+2*(3*2)+(4*3)=40m²

Pour obtenir un éclairement agréable il faudrait environ 4 lampes classiques de 60W, ce que l’on retrouve habituellement dans nos maisons.

(40m²/18.6m² = +/- 2) *(125lx/65lx)= +/-4 lampes pour obtenir un éclairement suffisant.

Si on voulait éclairer de la même manière avec des leds, il nous faudrait:

40m²/0.38m²=105 ampoules à leds, soit 105*25 = 2625 Leds!!!!

D’un coup, ça refroidit… On peut ainsi dire qu’une lampe classique de 60w est 105/4 = 26 fois plus lumineuse qu’une lampe à leds (nous ne parlons pas du rendement)!

La led de haute puissance

Depuis quelques années, on trouve des leds de haute puissance. Ces leds sont caractérisées par un flux lumineux important (jusqu’à 100lm/watt) pour des leds blanches. Une ouverture également plus intéressante d’environ 120°.

Avec ces valeurs voilà ce qu'on obtiendrait à 2m:

- Ouverture 120°, donc 3.14sr

- Flux lumineux (à 1W): 100lm (valeur pour des luxeon rebels 4000k)

- Surface éclairée à 2m: 4*π*2²*(3.14sr/12.57sr)=12.5m²

- Eclairement de la surface: 100lm/12.5m² = 8lx

Pour fournir l’éclairage suffisant, il faudrait dès lors (125/8) leds * (40/12.5) =50 leds de haute puissance

Un mieux?

Il devient beaucoup plus imaginable de réaliser un système avec 50 leds de haute puissance que de placer 105 lampes à leds de haute luminosité. Mais est-ce pour autant réalisable facilement?

Une led de haute puissance consomme régulièrement de 1 à 3 watt. A priori ça ne semble pas beaucoup, mais faut-il ajouter que la dimension de la leds est de quelques mm² de surface (environ 40mm² recto/verso). Une ampoule classique a une surface d’environ 10000mm², 250 fois plus grande et on a déjà du mal à la toucher tellement elle est chaude. Dans le cas de l’ampoule la dissipation est de 60W/10000mm²=0.006W/mm², pour la led de haute puissance 3W/40mm²=0.075W/mm².

Voilà la puissance qui va être dissipée par la led… autant dire qu’elle va chauffer énormément. Et le problème de la led, est qu’elle doit absolument rester froide pour bien fonctionner (l'inverse de la lampe a incandescence). Dans le cas contraire, sa durée de vie va très vite être réduite jusqu’à bruler après quelques secondes si rien n’est prévu pour la refrodir. C’est pour cela que les lampes à leds à base de leds de haute puissance sont équipées d'un refroidisseur important.

Nous n’avons pas non plus parlé du coût: une led de haute puissance coute environ 3€, à quoi il faut ajouter l’électronique et le packaging (refroidisseur,…), ce qui nous amène de façon générale en 2010 à un prix de 8€ par led (donc un éclairage à 3 leds de haute puissance +/- 25€). Pour éclairer toute une pièce, il faudrait donc 50*8€ soit 400€… C’est cher vis-à-vis d’une ampoule classique, même si elle dure moins longtemps.

Des lampes à leds pour quoi faire ?

Comme nous le constatons, à l’heure où est écrit cet article, s’éclairer avec des leds, n'est pas un must. D'autant que d'autres éclairages, comme les tubes fluorescents ont un rendement équivalent voir meilleur. Mais alors pourquoi utiliser la led?

La led à énormément d’avantages: un taux de réaction ultra rapide qui lui confère des possibilités de dimmage sans limite. La possibilité de mixer les couleurs et également la possibilté de focaliser l’éclairage dans un faisceau. En effet, même si pour les applications domestiques l’ouverture réduite de la led est un souci, pour des applications de décoration ou événementielle, ces attributs peuvent avoir un réel intérêt. C’est pourquoi dans la suite de cet article nous allons réaliser un projecteur à leds de haute puissance et étudier les différentes façons de réguler une led.