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REE N°10 Novembre 2009 29 Dossier Nouvelles technologies de l’éclairage : une r

REE N°10 Novembre 2009 29 Dossier Nouvelles technologies de l’éclairage : une révolution en ordre de marche ! Mots clés L ’efficacité lumineuse des meilleures LEDs a doublé en 4 ans. Et elle va encore probablement doubler d’ici à 2015. Elles seront alors les sources de lumière les plus performantes. L ’intérêt des LEDs ne réside pas au niveau du seul composant, mais égale ment au niveau du système. Cependant des disparités existent et leurs spécifications doivent être examinées avec attention et souvent décryptées. Les LEDs ne sont pas des sources de lumière comme les autres. Leur mise en œuvre requiert des précautions particulières. The efficiency of LEDs has doubled in 4 years. And it will probably double again by 2015. At this time, they will be the most efficient light sources. The benefit of LEDs is not only at the component level, but also at the system level. However, differences between products exist and specifications should be examinated carefully and often decrypted. Indeed LEDs are not light sources like others. Their implementation requires special precautions. L ’ e s s e n t i e l S y n o p s i s Hier reléguées à de simples voyants, les LEDs sont désormais utilisées partout. Pas un mois ne s’écoule sans une annonce de nouvelles solutions à LEDs, performantes, durables, économes… Pourquoi ? Que se cache-t-il derrière cet acronyme ? Que peut- on en attendre aujourd’hui ? Demain ? Quelques réponses sont esquissées avec les précautions requises dans un domaine particulièrement mouvant : celui d’une nou velle révolution technologique en marche. ■ Patrick Mottier CEA-LETI, MINATEC Grenoble Les LEDs dans l’éclairage LED, Diodes électroluminescentes, Efficacité lumineuse, Efficacité énergétique, éclairage, Coût de l’éclairage 1. Introduction L ’utilisation de diodes électroluminescentes (LEDs) pour éclairer est un phénomène récent, mais leur déploie ment sur ce secteur de marché paraît désormais inéluc table. Elles conquièrent des niches marketing de plus en plus nombreuses au fur et à mesure que croissent leurs performances et diminuent leur prix. Et la feuille de route de l’Optoelectronics Industry Development Association (OIDA) prévoit, qu’à terme, elles deviennent les sour ces de lumière les plus performantes du marché en terme d’efficacité lumineuse (figure 1) [1]. Cette technologie présente des atouts considérables notamment du point de vue de l’efficacité énergétique qui s’avère bien supérieure à celle des lampes à incandescen ce et s’approche désormais de celle des lampes fluocom pactes. Mais ce n’est pas là son seul intérêt. Les dimensions réduites des LEDs permettent de concevoir des luminaires aux rendements optiques élevés. Le temps de réponse très court et la « gradabilité totale » de 0 à 100 % du flux, deux autres caractéristiques propres aux LEDs, rendent facile l’utilisation de systèmes de ges tion énergétique qui optimisent en permanence le flux de lumière en fonction du besoin. Les LEDs se prêtent donc à une gestion spatiale et temporelle de l’éclairage qui induit à son tour une amélioration des performances énergétiques du système d’éclairage. Figure 1. L’efficacité lumineuse des LEDs blanches vue par l’OIDA en 2002. En 2009, cette dernière atteint environ 100lm/W (produit commercial) pour une température de jonction de 25° C et un spectre blanc froid. Dossier REE N°10 Novembre 2009 30 Nouvelles technologies de l’éclairage : une révolution en ordre de marche ! Les LEDs sont également fiables et insensibles aux chocs. L ’accès à des couleurs saturées, l’absence de ris que électrique, le bon fonctionnement à basse tempéra ture, l’absence d’UV ou d’infrarouge rayonnés sont autant d’avantages qui peuvent se révéler très attractifs pour cer tains secteurs de marché. L ’étape décisive sera toutefois celle où les performan ces technico-économiques des LEDs leur permettront de pénétrer le marché de l’éclairage général, ouverture qui devrait vraisemblablement se produire dans les 5 années à venir. Avec cet objectif en ligne de mire, on assiste ac tuellement à une course effrénée aux performances de la part des fabricants et à une multiplication des « nouveaux entrants ». 2. Les LEDs de haute efficacité énergétique Ce n’est qu’à la toute fin des années 80 qu’a été mise au point une technologie de LED bleue viable [2]. L ’appa rition de cette longueur d’onde ouvrit la porte, comme on le verra ci-après, à la lumière blanche qui, à son tour, ren dait le marché de l’éclairage désormais accessible. Cette perspective était suffisamment attrayante pour motiver de très importants efforts de R&D qui aboutissent aux perfor mances d’aujourd’hui et préparent les prochaines généra tions de produits. Le tableau 1 donne une idée des carac téristiques annoncées par les industriels leaders pour leurs produits commerciaux les plus performants. A noter que celles-ci sont mesurées dans des conditions de laboratoire garantissant une température de la jonction semi-conduc trice à 25° C. On en verra les limites ci-après. Quelle qu’en soit la couleur, une LED est avant tout, comme son nom l’indique, une diode. Alors que les dio des bien connues des électroniciens sont fabriquées sur du silicium, les LEDs sont à base de semi-conducteurs moins connus, à savoir du nitrure de gallium (GaN) pour les LEDs vertes et bleues ou du « phosphure ou arséniure de gallium (GaP , GaAs…) » pour les LEDs ambre ou rouges. Plus encore, il ne s’agit pas de semi-conducteurs massifs, mais sous forme de couches semi-conductrices épitaxiées sur un substrat cristallin différent. Pour les nitrures, il s’agit généralement de saphir, mais également de SiC, ce qui a, comme conséquence essentielle, une qualité cristalline du matériau actif moindre, cause de nombre de difficultés ren contrées par les fabricants [3]. En tant que diodes, les LEDs sont des composants polarisés. Elles fonctionnent sous quelques volts et émet tent de la lumière lorsqu’elles sont polarisées en direct, c’est-à-dire dans le sens passant de la diode. Leur tension de seuil typique à courant nominal est de 3,2 V pour les LEDs nitrures, 2,1 V pour les LEDs phosphures ou arsé niures (tableau 2). Les LEDs auxquelles on s’intéresse ici sont celles qui présentent une efficacité énergétique élevée, c’est-à-dire où le rapport entre l’énergie rayonnée sous forme de lu mière et l’énergie électrique consommée est de l’ordre de quelques dizaines de %. L ’énergie manquante est dissipée sous forme de chaleur et évacuée par conduction, puis convection dans l’atmosphère. Le flux émit par une LED est quasi-monochromatique, ce qui correspond à une couleur saturée. On verra dans la suite comment on en fait de la lumière blanche, mais il s’agit là de l’une des différences fondamentales entre LEDs et lampes à incandescence. En effet, le flux émit par ces dernières a un spectre très large. Il déborde largement le spectre visible et se situe principalement dans l’infra rouge. Ainsi les lampes à incandescence évacuent le gros de l’énergie électrique qu’on leur fournit sous forme de rayonnement infrarouge, et seulement quelques % sous forme de lumière visible. Par rapport à ces dernières, les LEDs présentent d’emblée un intérêt évident du point de vue énergétique, Couleur royal blue cyan green amber red Longueur d'onde pic (nm) 448 457 506 518 592 637 Tension (V) 3,3 3,5 3,5 3,3 2,2 2,1 Puissance (Watt) 0,27 0,15 0,11 0,05 0,04 0,14 Efficacité énergétique 23 % 12 % 9 % 5 % 6 % 18 % Flux (lumen) 8,6 9,8 35,4 25,5 22,5 21,9 Efficacité lumineuse (lm/W) 7,6 7,9 29,0 22,2 29,6 29,2 Tableau 2. Principales caractéristiques mesurées sur une série de LEDs émettant à différentes longueurs d’onde – Courant de mesures 350 mA – Ces résultats sont donnés à titre d’exemples uniquement. Mesures CEA-LETI (Ph. Grosse). Tableau 1. Efficacité lumineuse de LEDs blanc froid parmi les plus performantes relevées dans les documentations des fabricants leaders début 2009. Fabricant Modèle Efficacité lumineuse @350mA – Tj 25° C Cree XLamp XR-E 107 lm/W Nichia NS3W183 98 lm/W Osram Opto Semiconductors Advanced Power TopLED Plus 90 lm/W Philips Lumileds Rebel ES 100 lm/W REE N°10 Novembre 2009 31 ■ Les LEDs dans l’éclairage ■ puisque certaines s’approchent d’un rendement1 de 60 %. C’est l’une des conséquences de la physique mise en œu vre. Dans un processus idéal, on pourrait imaginer un ren dement de 100 % pour les LEDs, alors que le rendement théorique du Corps Noir thermodynamique, modèle phy sique de la lampe à incandescence, se situe aux alentours des 10 à 15 % pour des températures typiques de filament de 2 800 à 3 200 K. Il existe des différences suivant la couleur des LEDs. Les LEDs nitrures sont très efficaces dans la partie bleue du spectre et leur efficacité diminue lorsqu’on se déplace vers la partie rouge du spectre. A contrario, les LEDs à base de phosphures ou arséniures sont efficaces dans les rou ges et l’ambre, mais sont incapables de produire du bleu. Finalement, on constate que les LEDs vertes, entre ces deux zones extrêmes sont d’une efficacité médiocre et, ce, quel que soit le matériau de base. C’est le « green gap » (tableau 2 et figure 2). En mélangeant de la lumière bleue, verte et rouge on arrive, tout comme en télévision à uploads/Industriel/ berges-2010-les-leds-dans-l-eclairage 1 .pdf