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Eclairage par diodes électroluminescentes : les bases

Par Roger CADIERGUES – Consultant et Ancien directeur général du COSTIC

Système d'éclairage basse consommation l'éclairage par diodes électroluminescences est porteur d'avenir tant la technologie est compatible avec un objectif basse consommation dans un contexte durable et économique. Grâce à un mouvement d'électrons dans un matériau semi-conducteur, les LED ne peuvent pas griller, elles ne chauffent pas et n'utilisent aucune substance dangereuse. Derrière ces avantages certains, il est nécessaire d'en dessiner les limites et surtout de comprendre la technologie et les bases de fonctionnement.

Diode électroluminescente

Source Philips

1°/ Les diodes électroluminescentes (LED)

Historique sommaire

Les premières sources de lumière «solides», sous forme de diodes émettrices de lumière ont utilisé des semi-conducteurs inorganiques connus sous le nom de «diodes électro-luminescentes», en abrégé les «LED», provenant de l'anglais « Light Emitting Diode ». Depuis un certain nombre d'années ont été développées des diodes organiques électroluminescentes (OLED) qui sont probablement l'avenir essentiel.

Les qualités des LED et des OLED

Les LED (et OLED) possèdent les avantages suivants :

  • ce sont des sources de lumière très efficaces (voir plus loin), ceci étant essentiellement dû à ce que les LED n'émettent pas de rayonnements infrarouges ou ultra-violets inutiles en éclairage courant,
  • la durée de vie des LED est élevée (15000 à 20000 h) et leur maintenance facile et peu coûteuse,
  • les LED ne contiennent pas de mercure, au contraire de la majorité des autres sources actuelles.

L'efficacité lumineuse des LED

Le premier avantage des LED est leur efficacité. Alors que :

  • les lampes à incandescence - d'ailleurs aujourd'hui en voie d'abandon - ne transforment guère que 8 % de leur énergie en énergie lumineuse (efficacité de l'ordre de 14 lm/W),
  • que les tubes fluorescents ne transforment guère que de l'ordre de 21 % de leur énergie en lumière (efficacité lumineuse courante de l'ordre de 80 à 85 lm/W, 100 lm/W pour les plus efficaces),
  • les LED transforment de l'ordre de 15 à 25 % de l'énergie électrique fournie en énergie lumineuse, leur efficacité, aujourd'hui encore de l'ordre de 70 à 75 lm/W pourrait être portée (avec de nouvelles diodes) aux alentours de 130 lm/W.

Les défauts et les défis des LED

Malgré ces avantages il est encore difficile d'utiliser les LED en éclairage général :

  • par suite de leur puissance lumineuse limitée,
  • par suite des caractéristiques un peu étroites de leur faisceau lumineux,
  • par suite de leurs caractéristiques colorimétriques, assez difficiles à maîtriser,
  • par suite de leurs coûts.

Il faut y ajouter leur mauvaise résistance aux fortes températures, ce qui peut obliger à prévoir des dispositifs de rafraîchissement, en particulier parce que la chaleur dégagée est beaucoup plus concentrée dans les LED qu'avec les autres types de lampe.

Les caractéristiques lumineuses des LED

Alors que le rayonnement lumineux, avec les lampes classiques, se répartit plus ou moins dans toutes les directions (d'où les luminaires), les LED fournissent normalement un flux lumineux très directionnel. Mais ce flux lumineux n'est pas naturellement «blanc». Pour obtenir une lumière de couleur acceptable il faut généralement combiner plusieurs couches luminescentes, par exemple : une diode bleue, une diode verte et une diode rouge.
L'ennui est que les trois puces de couleurs différentes n'ont pas exactement le même comportement dans le temps, ce qui entraîne une certaine évolution de la couleur dans le temps, le blanc ne restant pas strictement identique.
Actuellement le rendu des couleurs des diodes luminescentes correspond à un indice de rendu de couleur allant de 75 à 85. On espère, néanmoins, pouvoir le porter à 85-90, voire même 95.

Le coût des LED

A flux lumineux égal les LED coûtent actuellement (2010) :

  • près de 500 fois ce que coûtent des lampes à incandescence,
  • plus de 80 fois ce que coûtent les lampes fluo-compactes.

Le seul espoir du développement accéléré des LED est que leur prix baisse rapidement, si possible au rythme actuel où les prix sont régulièrement divisés par deux chaque année. La situation économique des LED devrait, donc, plus ou moins rapidement évoluer.

2°/ La très basse tension de sécurité (TBTS)

La norme fondamentale

Les LED (et OLED) doivent être alimentés en électricité très basse tension, de sorte qu'il faut appliquer, non pas la norme NF C 15-100, mais le guide suivant :
UTE C 15-559 (novembre 2006). Installations électriques à basse tension. Guide pratique Installations d'Eclairage en Très Basse Tension.
C'est ce que nous faisons par la suite.

D'une façon générale la «très basse tension» (TBT) correspond à une tension inférieure à 50 V en courant alternatif ou 120 V en courant continu, mais avec les LED c'est une définition plus stricte puisqu'il s'agit de «TBTS», dite «très basse tension de sécurité», qui - par principe et obligation de base - doit être telle qu'elle rende techniquement improbable tout défaut entre le circuit primaire basse tension (BT) et le circuit secondaire (TBTS). Sur le plan pratique les circuits doivent répondre aux obligations de la table suivante, la tension normale avec les LED étant de 12 [V].

PROTECTION CONTRE LES CONTACTS DIRECTS

Tension alternative

U ≤ 25

25 < U ≤ 50

Tension continue

U ≤ 60

60 < U ≤ 120

Protection contre les contacts directs

pas nécessaire

nécessaire

Les sources électriques

Entre l'alimentation classique (BT) et le réseau TBTS se trouve une source normalement soumise à des obligations strictes de protection. Cette source, rendant improbable tout défaut entre le circuit primaire basse tension (BT) et les circuits secondaires (TBTS), peut être :

  • soit un transformateur,
  • soit ou convertisseur (de sécurité).

L'utilisation des transformateurs

Le circuit primaire (normalement BT 230 V) doit être protégée contre les surcharges et les courts-circuits. Les fusibles classiques et les disjoncteurs ne sont pas soumis à des obligations spéciales, mais il est prudent de se prémunir contre des déclenchements intempestifs dûs aux transformateurs : adopter - pour les transformateurs - le type C en général (> 450 [VA]) ou D.

Les circuits secondaires (TBTS) ne sont soumis à aucune obligation autre que celles prévues plus haut, sauf si la longueur dépasse 2 [m] - cas dans lequel il est recommandé une étude spéciale du fournisseur.

L'utilisation des convertisseurs

La seule protection à prévoir, en général, pour le circuit primaire (normalement BT 230 V) est la protection classique contre les courts-circuits. Quant à la sécurité des circuits secondaires, les recommandations indiquées pour les transformateurs (ci-dessus) restent globalement valables.

Précautions générales pour les circuits secondaires

1. Les circuits TBTS, devant présenter une isolation renforcée vis à vis des circuits BT, doivent être mis en œuvre dans des conduits distincts.

2. L'intensité étant particulièrement élevée (du fait de la faible tension) il faut y limiter la chute de tension (calcul des sections) à au plus 5%. Pour les circuits alimentés par des convertisseurs, et pour un courant maximal de 8,5 [A], on peut réduire la section à 0,5 [mm²].

3. Les conducteurs isolés peuvent être collés directement sur les parois sous les réserves indiquées par le guide UTE (ambiance normale, conduits inaccessibles au toucher).

4. Il convient généralement de prévoir des dispositifs d'arrêt de traction à chaque extrémité des conducteurs des circuits secondaires.

5. Les appareils d'éclairage eux-mêmes sont soumis à des règles d'installation très particulières : vous en trouverez les détails à la fiche suivante.

3°/ Le montage des appareils d'éclairage (LED)

Le schéma de référence

Les appareils d'éclairage (LED) doivent respecter, selon le guide UTE, les dispositions illustrées au schéma suivant :

Schéma de référence d'un Led 1 : transformateur
2 : bornes transformateur
3 : serre-câble solidaire du transformateur
4 : bornes 230 V
5 : liaison 12 V
6 : fil résistant à 170 °C
7 : serre-câble solidaire de l'appareil d'éclairage (obligatoire s'il faut retirer l'appareil du plafond ou du faux-plafond pour changer la lampe)
8 : borne de raccordement résistant à 125 °C
9 : fil résistant à 170 °C

Le montage des appareils d'éclairage

Le montage des appareils contenant des LED est soumis aux conditions suivantes concernant les contacts avec les appuis.

1. Le montage est autorisé au contact des matériaux de classe au feu M0, et ce quelle que soit la température des LED.

2. Le montage est autorisé au contact de matériaux de classes au feu M1, M2 ou M3 sous réserve que la température des LED soit inférieure à 90 °C.

3. Le montage n'est pas autorisé au contact des matériaux de classe M4.

Le montage en faux-plafond : les circuits secondaires

A chaque extrémité du conducteur de circuit secondaire, le montage doit comporter un dispositif d'arrêt de traction afin d'éviter toute déconnexion électrique accidentelle en faux-plafond.

Le montage en faux-plafond : l'accessibilité du transformateur
Les liaisons entre luminaires et transformateurs, ou convertisseurs doivent être capables de résister à une température de 170 °C.
Le transformateur (ou convertisseur) placé dans un faux-plafond doit rester accessible. Ceci implique les précautions suivantes :

1. Dans le cas où le faux-plafond est démontable le transformateur doit être placé sur la partie fixe

2. Dans le cas où le faux-plafond n'est pas démontable, et s'il s'agit d'un seul appareil, l'orifice recevant l'appareil d'éclairage est considéré comme une trappe d'accès

3. Dans le cas où le faux-plafond n'est pas démontable et où il y a plusieurs appareils, l'installation doit comporter une trappe d'accès.

4°/ Annexe : la structure des LED

Le semi-conducteur de base des LED

Les diodes électroluminescentes utilisent, en noyau, des semi-conducteurs particuliers, la majorité des produits utilisés étant à base de gallium. Le matériau adopté doit être fondamentalement un produit de très grande pureté, mais il a reçu des «impuretés» de deux catégories qui vont animer la génération de lumière. La première catégorie d'impuretés conduit à un excès d'électrons (matériau de type n), alors que la deuxième catégorie conduit à un manque d'électrons («trous» positifs : matériau de type p). Les deux sont diffusées dans le même semi-conducteur, créant au sein de celui-ci une interface entre les régions n et p. Si une tension continue est appliquée de telle sorte que la zone n soit négative et que la zone p soit positive, les trous et les électrons se combinent à l'interface, et produisent alors des photons.

Semi-conducteur de base des LED

La structure complète des LED monochromes

Les LED comportent un certain nombre de couches, comme l'indique le schéma ci-dessous, le semi-conducteur luminescent n'en étant qu'un des éléments, celui dont part la lumière.

Structure complète des LED monochromes

Plus de 90 % des LED actuels fonctionnent selon le principe de fluorescence d'un phosphore. Le fonctionnement est alors le suivant : la puce semi-conductrice (où circule un courant continu de quelques dizaines d'ampères) génère une lumière, bleue dans l'exemple précédent. Elle traverse ensuite un phosphore, jaune dans le cas précédent, phosphore qui va fournir la lumière jaune.

La structure complète des LED « blanches »

Les LED réelles, fournissant de la lumière blanche, fonctionnent normalement en utilisant trois (et non un) phosphores de couleurs différentes (bleu, vert, rouge). Le schéma ci-dessous en indiquent le principe, étant entendu qu'il s'agit d'une voie encore en développement.

Structure complète des LED  blanches

4°/ Comparatif économique ampoules standards et LED

Comparatif avec une ampoule LED

Comparatif avec une ampoule LED

Source Philips

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Les diodes luminescences - Collection MEMOCAD 2010 par Roger CADIERGUES

Fait par Roger CADIERGUES – Ancien directeur général du COSTIC
Polytechnicien de formation, et consultant international, Roger Cadiergues présente un parcours incomparable dans le génie climatique (vocable dont il est l'inventeur) par les responsabilités tenues et des avancées tant techniques qu'informatiques qui lui sont dûes. Auteur de nombreux ouvrages, il anime entre autre la lettre hebdo d'XPAIR www.xpair.com.

→ SOURCES & LIENS

→ Conférences au Salon ENEO du 15 au 18 février 2011

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