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HAL Id: tel-02004352 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02004352 Submitted on 1 Feb 2019 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Optimisation des systèmes d’éclairage des bâtiments de l’Université Paul Sabatier basé sur un réseau novateur de type bus continu/basse tension Angel Barroso To cite this version: Angel Barroso. Optimisation des systèmes d’éclairage des bâtiments de l’Université Paul Sabatier basé sur un réseau novateur de type bus continu/basse tension. Energie électrique. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2017. Français. NNT : 2017TOU30345. tel-02004352 i | P a g e Ré sumé Les diodes électroluminescentes (LEDs) constituent de nouvelles solutions pour créer des luminaires plus robustes, ayant un meilleur rendement de conversion et plus respectueuses de l’environnement. Malgré les avantages indiscutables déjà obtenus aujourd’hui, ce type de luminaire présente encore quelques optimisations possibles et offre des possibilités de fonctionnalités multiples. À travers plusieurs campagnes de tests, l’auteur montre sur des LEDs du commerce, que les points d’optimisation non encore exploités dans les luminaires commerciaux. Ces LEDs ont ainsi été testés sur de larges plages de fonctionnement du point de vue photométrique, électrique mais aussi thermique pour connaitre la reproductibilité des résultats obtenus. Ainsi les influences des conditions d’utilisation notamment en température de fonctionnement et niveaux de courant d’alimentation ont été étudiées. Pour dimensionner au mieux une alimentation électrique spécifique, une recherche de modèles de LED élémentaires a été effectuée. L’objectif est que les modèles tiennent compte des principaux paramètres mais soient suffisamment simples pour être inséré dans un environnement système afin de simuler le luminaire dans son environnement complet. Ainsi, l’étude comparative de plusieurs associations de LEDs a été effectuée permettant d’en déduire des compromis pour proposer de nouvelles solutions faibles consommatrices d’énergie à coût réduit incluant de nouveaux types d’alimentation. Mots clés : Économie d’énergie – Diodes électroluminescentes – LED – Caractérisation – Association de LEDs — Modélisation – Alimentation DC/DC – Eclairage Page | ii Abstract Light-emitting diodes (LEDs) bring new possibilities to get luminaries robuster with an improved efficiency and more environmentally respectful. Despite the benefits already achieved today, this type of luminary still presents some possible optimisations and provides opportunities for multiple features. Through several tests, the author shows on LED in market that optimisation points are not operated in commercial luminaries. These LEDs have been tested over a wide range of operations in photometric, electrical but also thermal to know the reproducibility of the results. Thus, the influences of operating conditions including operating temperature and supply current levels were studied. To design a specific power supply for each LED type, a search of elementary LED models was performed. The objective is to take into account the main parameters of the models, but also to be simple enough to be inserted into a system environment to simulate the luminary in the whole environment. Thus, the comparative study of several associations of LED was conducted to deduce the best compromise and propose new solutions to reduce energy consumptions and production costs, including new types of power supply. Keywords: Energy savings – LED – Light-Emitting Diodes – Characterisation – Modelling – Power DC/DC — Lighting Page | iii « Comme les hommes aiment avant tout la lumière, ils ont inventé le feu » G. Apollinaire Page | iv C’est avec plaisir que je me consacre à l’écriture des traditionnels remerciements de thèse. La thèse est un exercice qui demande une sacrée dose de courage et de ténacité. Avec du recul, je peux affirmer que le jeu en valait la chandelle, car je mesure aujourd’hui la chance qui m’a été offerte de travailler avec des personnes aux connaissances multiples et venant de tous horizons. Les travaux de thèse rapportés dans ce manuscrit ont été réalisés au sein du Laboratoire de Plasma et Conversion de l’Énergie (LAPLACE), dans l’équipe Lumière & Matière (LM). Ainsi qu’au Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes (LAAS), dans l’équipe Intégration de Système de Gestion de l’Energie (ISGE) et en lien avec l’Université Paul Sabatier de Toulouse. Ils ont fait l’objet de plusieurs présentations dans le cadre de l’initiative NeoCampus et de plusieurs congrès en génie électrique (Jeunes Chercheurs en Génie Electrique, Industry Applications Society, Light Sources). Avant toute chose, je tiens à dire que puisque l’ordre d’apparition dans un discours oral ou écrit reflète une certaine hiérarchie dans l’importance accordée à chacune des personnes, dans mon cas, il faudrait TOUS vous placer au rang 1. Merci à chacun. Sans vous, cette page n’existerait certainement pas. Pour commencer, je tiens à remercier infiniment mes deux directeurs de thèse, le professeur Georges Zissis et le professeur Corinne Alonso, pour avoir proposé un sujet aussi intéressant, et surtout pour leur soutien, leur confiance et tout le savoir qu’ils m’ont transmis au cours de ces trois ans de thèse. Je remercie vivement Monsieur Pascal Dupuis, pour son suivi, sa très grande patiente, son implication et son expertise tout au long de mes expériences. Tout au long de ce parcours, j’ai eu la chance de pouvoir compter sur l’aide d’un très grand nombre de personnes. C’est pourquoi je suis reconnaissant à Monsieur Bruno Jammes, Monsieur David Buso, Monsieur Marc Ternisien et Monsieur Gerald Ledru pour avoir répondu présent lorsque j’avais une question, un problème dans la salle de manip’ ou tout simplement pour leur bonne humeur. Je tiens aussi à remercier tout particulièrement Monsieur Lionel Seguier, pour son investissement, son recul sur mon travail et plus généralement pour toutes les plaisanteries. Plus généralement, je remercie aussi les doctorants (ou docteurs maintenant) qui étaient présents durant ces trois années : Michael Bressan, Benoit Blondel, Jérémy Dulout, Benjamin Ramos, Ilias Papas, Christophe Catalano ou encore Kolja Neuhaus pour leur bonne humeur, les connaissances qu’ils m’ont transmis dans leur domaine respectif ou pour tous les échanges que nous avons eu durant ces 3 années. Pour terminer, je souhaiterais remercier Madame Manuela Sechilariu et Monsieur Hubert Razik pour avoir accepté de parcourir et analyser mon travail. Et enfin, je remercie chaleureusement Madame Marie-Pierre Gleizes, pour avoir accepté de participer à mon jury de thèse. Merci encore de m’avoir donné cette chance. Page | v Page | vi Table des matières Résumé ........................................................................................................... i Abstract ..........................................................................................................ii Introduction générale .................................................................................... 1 Chapitre 1 : La lumière, les moyens de la produire, de la mesurer .................. 3 1.1 Introduction ..................................................................................................................................... 3 1.2 Généralités sur le rayonnement ...................................................................................................... 3 1.3 Impacts du phénomène lumineux sur l’être humain ...................................................................... 7 1.4 La fonction visuelle .......................................................................................................................... 8 1.5 Différentes définitions servant à qualifier un flux lumineux ......................................................... 12 1.5.1 La notion de spectre lumineux .............................................................................................. 12 1.5.2 La notion de flux spectral énergétique et flux lumineux ....................................................... 14 1.5.3 Efficacité des rayonnements et des sources ......................................................................... 16 1.5.4 Colorimétrie et température de couleur ............................................................................... 16 1.6 Les sources de lumière artificielles ................................................................................................ 20 1.6.1 Rappels des deux phénomènes physiques permettant la création de la lumière ................ 21 La thermorayonnance ....................................................................................................................... 21 La luminescence ................................................................................................................................ 22 1.6.2 Les différentes sources incandescentes ................................................................................ 22 La chandelle ....................................................................................................................................... 22 La lampe à incandescence ................................................................................................................. 22 La lampe à halogène .......................................................................................................................... 23 1.7 Sources lumineuses luminescentes ............................................................................................... 24 La lampe fluorescente ....................................................................................................................... 24 Le tube fluorescent ............................................................................................................................ 25 La source fluocompacte .................................................................................................................... 26 Lampe à vapeur de mercure ............................................................................................................. 26 Lampe à vapeur de sodium ............................................................................................................... 27 Lampe à induction ............................................................................................................................. 28 Les lampes à haute pression ............................................................................................................. 28 Diode électroluminescente organique .............................................................................................. 28 Transistor organique émetteur de lumière ....................................................................................... 29 Page | vii 1.8 L’électroluminescence ................................................................................................................... 30 1.9 Conclusion ..................................................................................................................................... 31 Références ............................................................................................................................................. 33 Chapitre 2 : Les diodes électroluminescentes ................................................ 37 2.1 Introduction ................................................................................................................................... 37 2.2 Le principe de fonctionnement d’une LED .................................................................................... 37 2.3 Problématique des LEDs ................................................................................................................ 39 2.3.1 Les matériaux utilisés ............................................................................................................ 39 2.3.1.1 La création de LEDs émettant de la lumière bleue ............................................................... 41 2.3.1.2 Création de LEDs émettant de la lumière blanche ................................................................ 42 2.3.2 Critères d’évaluation des performances d’une LED .............................................................. 44 2.3.2.1 Mesures de rendements et d’efficacités d’une LED .............................................................. 44 2.3.2.2 Notions permettant d’évaluer les performances d’une LED ................................................. 45 2.3.2.3 L’impact de la température sur les LEDs ............................................................................... 47 2.4 Caractéristiques d’une LED fournies par les constructeurs .......................................................... 49 2.5 Campagne de tests effectuée en laboratoire ................................................................................ 50 2.5.1 Rappels des caractéristiques électriques issues de la littérature et connues ................... 52 2.5.2 Rappels des caractéristiques lumineuses issues de la littérature ..................................... 54 2.5.3 Rappels des caractéristiques thermiques issues de la littérature ..................................... 54 2.6 Modélisation d’une LED ................................................................................................................ 55 2.6.1 Modèle par spectroscopie d’impédance ........................................................................... 55 2.6.2 Modèle obtenu avec l’équation d’une Gaussienne pour l’ajustement ................................. 57 2.6.3 Modèle obtenu avec l’équation de Shockley pour l’ajustement .......................................... 58 Influence de la température pour la modélisation : uploads/Litterature/ 2017-tou30345-bis.pdf