Le marché mondial de l'éclairage a subi une transformation radicale entraînée par l'adoption massive de la technologie des diodes électroluminescentes (DEL). Cette révolution de l'éclairage à semi-conducteurs (SSL) a fondamentalement modifié l'économie sous-jacente du marché et la dynamique de l'industrie. Non seulement différentes formes de productivité ont été rendues possibles par la technologie SSL, mais la transition des technologies conventionnelles vers l'éclairage LED change également profondément la façon dont les gens pensent à l'éclairage. Les technologies d'éclairage conventionnelles ont été conçues principalement pour répondre aux besoins visuels. Avec l'éclairage LED, la stimulation positive des effets biologiques de la lumière sur la santé et le bien-être des personnes attire de plus en plus l'attention. L'avènement de la technologie LED a également ouvert la voie à la convergence entre l'éclairage et l'Internet des objets (IoT), qui ouvre un tout nouveau monde de possibilités. Au début, il y a eu beaucoup de confusion au sujet de l'éclairage LED. La forte croissance du marché et l'énorme intérêt des consommateurs créent un besoin pressant de dissiper les doutes entourant la technologie et d'informer le public de ses avantages et de ses inconvénients.
Comment fonctionnent les LED ?
Une LED est un boîtier semi-conducteur comprenant une matrice LED (puce) et d'autres composants qui fournissent un support mécanique, une connexion électrique, une conduction thermique, une régulation optique et une conversion de longueur d'onde. La puce LED est essentiellement un dispositif à jonction pn formé par des couches semi-conductrices composées à dopage opposé. Le semi-conducteur composé couramment utilisé est le nitrure de gallium (GaN) qui a une bande interdite directe permettant une plus grande probabilité de recombinaison radiative que les semi-conducteurs à bande interdite indirecte. Lorsque la jonction pn est polarisée dans le sens direct, les électrons de la bande de conduction de la couche semi-conductrice de type n se déplacent à travers la couche limite dans la jonction p et se recombinent avec les trous de la bande de valence de la couche semi-conductrice de type p dans le région active de la diode. La recombinaison électron-trou fait chuter les électrons dans un état d'énergie inférieure et libère l'excès d'énergie sous forme de photons (paquets de lumière). Cet effet est appelé électroluminescence. Le photon peut transporter un rayonnement électromagnétique de toutes les longueurs d'onde. Les longueurs d'onde exactes de la lumière émise par la diode sont déterminées par la bande interdite d'énergie du semi-conducteur.
La lumière générée par électroluminescence dans la puce LED a une distribution de longueur d'onde étroite avec une bande passante typique de quelques dizaines de nanomètres. Les émissions à bande étroite produisent une lumière d'une seule couleur telle que le rouge, le bleu ou le vert. Afin de fournir une source de lumière blanche à large spectre, la largeur de la distribution de puissance spectrale (SPD) de la puce LED doit être élargie. L'électroluminescence de la puce LED est partiellement ou complètement convertie par photoluminescence dans les luminophores. La plupart des LED blanches combinent l'émission de longueur d'onde courte des puces bleues InGaN et la lumière de longueur d'onde plus longue réémise des luminophores. La poudre de luminophore est dispersée dans une matrice de silicium, d'époxy ou d'autres matrices de résine. La matrice contenant du phosphore est déposée sur la puce LED. La lumière blanche peut également être produite en pompant des luminophores rouges, verts et bleus à l'aide d'une puce LED ultraviolette (UV) ou violette. Dans ce cas, le blanc résultant peut atteindre un rendu des couleurs supérieur. Mais cette approche souffre d'une faible efficacité car le grand décalage de longueur d'onde impliqué dans la conversion descendante de la lumière UV ou violette s'accompagne d'une perte d'énergie Stokes élevée.
Avantages de l'éclairage LED
L'invention des lampes à incandescence il y a plus d'un siècle a révolutionné l'éclairage artificiel. À l'heure actuelle, nous assistons à la révolution de l'éclairage numérique rendue possible par SSL. L'éclairage à base de semi-conducteurs offre non seulement une conception, des performances et des avantages économiques sans précédent, mais permet également une pléthore de nouvelles applications et de propositions de valeur auparavant considérées comme irréalisables. Le retour de la récolte de ces avantages compensera largement le coût initial relativement élevé de l'installation d'un système LED, sur lequel il y a encore quelques hésitations sur le marché.
1. Efficacité énergétique
L'efficacité énergétique est l'une des principales justifications de la migration vers l'éclairage LED. Au cours de la dernière décennie, les efficacités lumineuses des ensembles de LED blanches à conversion de phosphore sont passées de 85 lm/W à plus de 200 lm/W, ce qui représente une efficacité de conversion de puissance électrique en puissance optique (PCE) de plus de 60 %, à un courant de fonctionnement standard. densité de 35 A/cm2. Malgré les améliorations de l'efficacité des LED bleues InGaN, des luminophores (l'efficacité et la longueur d'onde correspondent à la réponse de l'œil humain) et du boîtier (diffusion/absorption optique), le département américain de l'énergie (DOE) affirme qu'il reste plus de marge pour PC-LED des améliorations d'efficacité et des efficacités lumineuses d'environ 255 lm/W devraient être pratiquement possibles pour les LED bleues à pompe. Les efficacités lumineuses élevées sont incontestablement un avantage indéniable des LED par rapport aux sources lumineuses traditionnelles : incandescentes (jusqu'à 20 lm/W), halogènes (jusqu'à 22 lm/W), fluorescentes linéaires (65-104 lm/W), fluocompactes (46-87 lm/W), fluorescent à induction (70-90 lm/W), vapeur de mercure (60-60 lm/W), sodium haute pression (70-140 lm/W) , quartz halogénure métallique (64-110 lm/W) et céramique halogénure métallique (80-120 lm/W).
2. Efficacité de livraison optique
Au-delà des améliorations significatives de l'efficacité de la source lumineuse, la capacité d'atteindre une efficacité optique élevée des luminaires avec un éclairage LED est moins bien connue des consommateurs en général, mais fortement souhaitée par les concepteurs d'éclairage. La livraison efficace de la lumière émise par les sources lumineuses à la cible a été un défi de conception majeur dans l'industrie. Les lampes traditionnelles en forme d'ampoule émettent de la lumière dans toutes les directions. Cela fait qu'une grande partie du flux lumineux produit par la lampe est piégée dans le luminaire (par exemple par les réflecteurs, les diffuseurs) ou s'échappe du luminaire dans une direction qui n'est pas utile pour l'application prévue ou simplement offensante pour l'œil. Les luminaires HID tels que les halogénures métalliques et le sodium haute pression sont généralement efficaces d'environ 60 à 85 % pour diriger la lumière produite par la lampe hors du luminaire. Il n'est pas rare que les downlights encastrés et les troffers qui utilisent des sources lumineuses fluorescentes ou halogènes subissent 40-50 % de pertes optiques. La nature directionnelle de l'éclairage LED permet une diffusion efficace de la lumière, et le facteur de forme compact des LED permet une régulation efficace du flux lumineux à l'aide de lentilles composées. Des systèmes d'éclairage à LED bien conçus peuvent offrir une efficacité optique supérieure à 90 %.
3. Uniformité d'éclairage
L'éclairage uniforme est l'une des principales priorités dans les conceptions d'éclairage ambiant intérieur et extérieur/de la chaussée. L'uniformité est une mesure des relations de l'éclairement sur une zone. Un bon éclairage doit assurer une répartition uniforme des lumens incident sur une surface ou une zone de travail. Des différences de luminance extrêmes résultant d'un éclairage non uniforme peuvent entraîner une fatigue visuelle, affecter la performance des tâches et même présenter un problème de sécurité car l'œil doit s'adapter entre des surfaces de luminance différente. Les transitions d'une zone très éclairée à une zone de luminance très différente entraîneront une perte transitoire d'acuité visuelle, ce qui a de grandes implications en matière de sécurité dans les applications extérieures où une circulation de véhicules est impliquée. Dans les grandes installations intérieures, un éclairage uniforme contribue à un confort visuel élevé, permet une flexibilité des emplacements des tâches et élimine le besoin de déplacer les luminaires. Cela peut être particulièrement avantageux dans les installations industrielles et commerciales à grande hauteur où des coûts et des inconvénients substantiels sont impliqués dans le déplacement des luminaires. Les luminaires utilisant des lampes HID ont un éclairement beaucoup plus élevé directement sous le luminaire que les zones plus éloignées du luminaire. Il en résulte une mauvaise uniformité (rapport typique max/min 6:1). Les concepteurs d'éclairage doivent augmenter la densité des luminaires pour s'assurer que l'uniformité de l'éclairement répond aux exigences minimales de conception. En revanche, une grande surface émettrice de lumière (LES) créée à partir d'un ensemble de LED de petite taille produit une distribution de lumière avec une uniformité inférieure à 3:1 rapport max/min, ce qui se traduit par de meilleures conditions visuelles ainsi qu'un nombre considérablement réduit d'installations sur la zone de travail.
4. Éclairage directionnel
En raison de leur modèle d'émission directionnel et de leur densité de flux élevée, les LED sont intrinsèquement adaptées à l'éclairage directionnel. Un luminaire directionnel concentre la lumière émise par la source lumineuse en un faisceau dirigé qui se déplace sans interruption du luminaire vers la zone cible. Des faisceaux de lumière étroitement focalisés sont utilisés pour créer une hiérarchie d'importance grâce à l'utilisation du contraste, pour faire ressortir certaines caractéristiques de l'arrière-plan et pour ajouter de l'intérêt et de l'attrait émotionnel à un objet. Les luminaires directionnels, y compris les projecteurs et les projecteurs, sont largement utilisés dans les applications d'éclairage d'accentuation pour mettre en valeur ou mettre en valeur un élément de design. L'éclairage directionnel est également utilisé dans les applications où un faisceau intense est nécessaire pour aider à accomplir des tâches visuelles exigeantes ou pour fournir un éclairage à longue portée. Les produits qui remplissent cette fonction comprennent les lampes de poche, les projecteurs, les projecteurs de poursuite, les phares de conduite de véhicule, les projecteurs de stade, etc. LED COB ou pour émettre un long faisceau au loin avec des LED haute puissance.
5. Ingénierie spectrale
La technologie LED offre la nouvelle capacité de contrôler la distribution de puissance spectrale (SPD) de la source lumineuse, ce qui signifie que la composition de la lumière peut être adaptée à diverses applications. La contrôlabilité spectrale permet au spectre des produits d'éclairage d'être conçu pour engager des réponses humaines spécifiques visuelles, physiologiques, psychologiques, de photorécepteurs de plantes ou même de détecteurs à semi-conducteurs (c'est-à-dire une caméra HD), ou une combinaison de ces réponses. Une efficacité spectrale élevée peut être obtenue grâce à la maximisation des longueurs d'onde souhaitées et à la suppression ou à la réduction des parties dommageables ou inutiles du spectre pour une application donnée. Dans les applications de lumière blanche, le SPD des LED peut être optimisé pour la fidélité des couleurs prescrite et la température de couleur corrélée (CCT). Avec une conception multicanaux et multi-émetteurs, la couleur produite par le luminaire LED peut être contrôlée activement et avec précision. Les systèmes de mélange de couleurs RGB, RGBA ou RGBW capables de produire un spectre complet de lumière créent des possibilités esthétiques infinies pour les concepteurs et les architectes. Les systèmes de blanc dynamique utilisent des LED multi-CCT pour fournir une gradation chaude qui imite les caractéristiques de couleur des lampes à incandescence lorsqu'elles sont atténuées, ou pour fournir un éclairage blanc réglable qui permet un contrôle indépendant de la température de couleur et de l'intensité lumineuse. L'éclairage centré sur l'humain basé sur la technologie LED blanche accordable est l'un des moteurs de la plupart des derniers développements en matière de technologie d'éclairage.
6. Commutation marche/arrêt
Les LED s'allument à pleine luminosité presque instantanément (d'un chiffre à des dizaines de nanosecondes) et s'éteignent en quelques dizaines de nanosecondes. En revanche, le temps de préchauffage, ou le temps nécessaire à l'ampoule pour atteindre son plein rendement lumineux, des lampes fluocompactes peut durer jusqu'à 3 minutes. Les lampes HID nécessitent une période de préchauffage de plusieurs minutes avant de fournir une lumière utilisable. Le réamorçage à chaud est beaucoup plus préoccupant que le démarrage initial pour les lampes aux halogénures métalliques qui étaient autrefois la principale technologie utilisée pour l'éclairage des grandes hauteurs et l'éclairage par projecteurs à haute puissance dans les installations industrielles, les stades et les arènes. Une panne de courant pour une installation avec un éclairage aux halogénures métalliques peut compromettre la sûreté et la sécurité, car le processus de réamorçage à chaud des lampes aux halogénures métalliques prend jusqu'à 20 minutes. Le démarrage instantané et le réamorçage à chaud placent les LED dans une position unique pour effectuer efficacement de nombreuses tâches. Non seulement les applications d'éclairage général bénéficient grandement du temps de réponse court des LED, mais une large gamme d'applications spécialisées profitent également de cette capacité. Par exemple, les lumières LED peuvent fonctionner en synchronisation avec les caméras de circulation pour fournir un éclairage intermittent pour capturer le véhicule en mouvement. Les LED s'allument 140 à 200 millisecondes plus rapidement que les lampes à incandescence. L'avantage du temps de réaction suggère que les feux de freinage à DEL sont plus efficaces que les lampes à incandescence pour prévenir les collisions arrière. Un autre avantage des LED en mode de commutation est le cycle de commutation. La durée de vie des LED n'est pas affectée par des commutations fréquentes. Les pilotes de LED typiques pour les applications d'éclairage général sont évalués pour 50,000 cycles de commutation, et il est rare que les pilotes de LED hautes performances durent 100,000, 200,000 ou même 1 million cycles de commutation. La durée de vie des LED n'est pas affectée par un cycle rapide (commutation haute fréquence). Cette caractéristique rend les lumières LED bien adaptées à l'éclairage dynamique et à une utilisation avec des commandes d'éclairage telles que des capteurs de présence ou de lumière du jour. D'un autre côté, des allumages/extinctions fréquents peuvent raccourcir la durée de vie des lampes à incandescence, HID et fluorescentes. Ces sources lumineuses n'ont généralement que quelques milliers de cycles de commutation sur leur durée de vie nominale.
7. Capacité de gradation
La capacité à produire une sortie lumineuse de manière très dynamique prête parfaitement les LED au contrôle de la gradation, tandis que les lampes fluorescentes et HID ne réagissent pas bien à la gradation. La gradation des lampes fluorescentes nécessite l'utilisation de circuits coûteux, volumineux et complexes afin de maintenir les conditions d'excitation et de tension du gaz. La gradation des lampes HID entraînera une durée de vie plus courte et une défaillance prématurée de la lampe. Les lampes aux halogénures métalliques et au sodium haute pression ne peuvent pas être réglées en dessous de 50 % de la puissance nominale. Ils répondent également aux signaux de gradation beaucoup plus lentement que les LED. La gradation des LED peut être réalisée soit par réduction de courant constant (CCR), mieux connue sous le nom de gradation analogique, soit en appliquant une modulation de largeur d'impulsion (PWM) à la LED, ou gradation numérique AKA. La gradation analogique contrôle le courant d'entraînement circulant jusqu'aux LED. Il s'agit de la solution de gradation la plus largement utilisée pour les applications d'éclairage général, bien que les LED puissent ne pas fonctionner correctement à des courants très faibles (inférieurs à 10 %). La gradation PWM fait varier le rapport cyclique de la modulation de largeur d'impulsion pour créer une valeur moyenne à sa sortie sur une plage complète de 100 % à 0 %. Le contrôle de la gradation des LED permet d'aligner l'éclairage sur les besoins humains, de maximiser les économies d'énergie, de permettre le mélange des couleurs et le réglage CCT, et de prolonger la durée de vie des LED.
8. Contrôlabilité
La nature numérique des LED facilite l'intégration transparente des capteurs, des processeurs, des contrôleurs et des interfaces réseau dans les systèmes d'éclairage pour la mise en œuvre de diverses stratégies d'éclairage intelligentes, de l'éclairage dynamique et de l'éclairage adaptatif à tout ce que l'IoT apporte ensuite. L'aspect dynamique de l'éclairage LED va du simple changement de couleur aux spectacles de lumière complexes sur des centaines ou des milliers de nœuds d'éclairage contrôlables individuellement et à la traduction complexe du contenu vidéo pour l'affichage sur des systèmes à matrice LED. La technologie SSL est au cœur d'un vaste écosystème de solutions d'éclairage connectées qui peuvent tirer parti de la collecte de la lumière du jour, de la détection d'occupation, du contrôle du temps, de la programmabilité intégrée et des appareils connectés au réseau pour contrôler, automatiser et optimiser divers aspects de l'éclairage. La migration du contrôle de l'éclairage vers des réseaux IP permet aux systèmes d'éclairage intelligents chargés de capteurs d'interagir avec d'autres appareils au sein des réseaux IoT. Cela ouvre des possibilités pour créer un large éventail de nouveaux services, avantages, fonctionnalités et sources de revenus qui améliorent la valeur des systèmes d'éclairage à LED. Le contrôle des systèmes d'éclairage LED peut être mis en œuvre à l'aide d'une variété de protocoles de communication filaires et sans fil, y compris des protocoles de contrôle d'éclairage tels que 0-10V, DALI, DMX512 et DMX-RDM, des protocoles d'automatisation de bâtiment tels que BACnet, LON, KNX et EnOcean, et des protocoles déployés sur l'architecture maillée de plus en plus populaire (par exemple ZigBee, Z-Wave, Bluetooth Mesh, Thread).
9. Flexibilité de conception
La petite taille des LED permet aux concepteurs de luminaires de créer des sources lumineuses de formes et de tailles adaptées à de nombreuses applications. Cette caractéristique physique donne aux designers plus de liberté pour exprimer leur philosophie de conception ou pour composer des identités de marque. La flexibilité résultant de l'intégration directe des sources lumineuses offre des possibilités pour créer des produits d'éclairage qui portent une fusion parfaite entre la forme et la fonction. Les luminaires à LED peuvent être conçus pour brouiller les frontières entre le design et l'art pour les applications où un point focal décoratif est commandé. Ils peuvent également être conçus pour prendre en charge un niveau élevé d'intégration architecturale et se fondre dans n'importe quelle composition de conception. L'éclairage à semi-conducteurs entraîne également de nouvelles tendances de conception dans d'autres secteurs. Des possibilités de style uniques permettent aux constructeurs automobiles de concevoir des phares et des feux arrière distinctifs qui donnent aux voitures un look attrayant.
10. Durabilité
Une LED émet de la lumière à partir d'un bloc de semi-conducteur, plutôt qu'à partir d'une ampoule ou d'un tube en verre, comme c'est le cas dans les anciennes lampes à incandescence, halogènes, fluorescentes et HID qui utilisent des filaments ou des gaz pour générer de la lumière. Les dispositifs à semi-conducteurs sont généralement montés sur une carte de circuit imprimé à noyau métallique (MCPCB), avec une connexion généralement assurée par des fils soudés. Pas de verre fragile, pas de pièces mobiles et pas de casse de filament, les systèmes d'éclairage à LED sont donc extrêmement résistants aux chocs, aux vibrations et à l'usure. La durabilité à l'état solide des systèmes d'éclairage à LED a des valeurs évidentes dans une variété d'applications. Dans une installation industrielle, il existe des endroits où les lumières souffrent de vibrations excessives provenant de grosses machines. Les luminaires installés le long des chaussées et des tunnels doivent subir des vibrations répétées causées par le passage de véhicules lourds à grande vitesse. Les vibrations constituent la journée de travail typique des phares de travail montés sur des véhicules, des machines et des équipements de construction, miniers et agricoles. Les luminaires portables tels que les lampes de poche et les lanternes de camping sont souvent soumis à l'impact des chutes. Il existe également de nombreuses applications où les lampes cassées présentent un danger pour les occupants. Tous ces défis exigent une solution d'éclairage robuste, exactement ce que l'éclairage à semi-conducteurs peut offrir.
11. Durée de vie du produit
La longue durée de vie est l'un des principaux avantages de l'éclairage LED, mais les affirmations de longue durée basées uniquement sur la métrique de durée de vie du boîtier LED (source lumineuse) peuvent être trompeuses. La durée de vie utile d'un ensemble LED, d'une lampe LED ou d'un luminaire LED (luminaires) est souvent citée comme le moment où le flux lumineux a diminué à 70 % de sa sortie initiale, ou L70. En règle générale, les LED (packages LED) ont des durées de vie L70 comprises entre 30,000 et 100,000 heures (à Ta=85 degré). Cependant, les mesures LM-80 qui sont utilisées pour prédire la durée de vie L70 des packages LED à l'aide de la méthode TM-21 sont prises avec les packages LED fonctionnant en continu dans des conditions de fonctionnement bien contrôlées (par exemple, dans un environnement à température contrôlée et alimenté par un courant d'entraînement continu constant). En revanche, les systèmes LED dans les applications du monde réel sont souvent confrontés à une surcharge électrique plus élevée, à des températures de jonction plus élevées et à des conditions environnementales plus difficiles. Les systèmes à LED peuvent connaître une maintenance accélérée du flux lumineux ou une défaillance prématurée pure et simple. En général, les lampes à LED (ampoules, tubes) ont des durées de vie L70 comprises entre 10,000 et 25,000 heures, les luminaires à LED intégrés (par exemple, les luminaires à grande hauteur, les lampadaires, les plafonniers) ont des durées de vie comprises entre 30, 000 heures et 60,000 heures. Par rapport aux produits d'éclairage traditionnels—incandescent (750-2,000 heures), halogène (3,000-4,000 heures), fluocompact (8,000-10 ,000 heures) et aux halogénures métalliques (7,500-25,000 heures), les systèmes à LED, en particulier les luminaires intégrés, offrent une durée de vie nettement plus longue. Étant donné que les lampes à LED ne nécessitent pratiquement aucun entretien, les coûts de maintenance réduits associés aux économies d'énergie élevées résultant de l'utilisation des lampes à LED sur leur durée de vie prolongée constituent la base d'un retour sur investissement (ROI) élevé.
12. Sécurité photobiologique
Les LED sont des sources lumineuses photobiologiquement sûres. Ils ne produisent aucune émission infrarouge (IR) et émettent une quantité négligeable de lumière ultraviolette (UV) (moins de 5 uW/lm). Les lampes à incandescence, fluorescentes et aux halogénures métalliques convertissent respectivement 73 %, 37 % et 17 % de l'énergie consommée en énergie infrarouge. Ils émettent également dans la région UV du spectre électromagnétique : incandescence (70-80 uW/lm), fluocompacte (30-100 uW/lm) et halogénure métallique (160-700 uW/lm) . À une intensité suffisamment élevée, les sources lumineuses qui émettent de la lumière UV ou IR peuvent présenter des risques photobiologiques pour la peau et les yeux. L'exposition aux rayons UV peut provoquer une cataracte (opacification du cristallin normalement clair) ou une photokératite (inflammation de la cornée). Une exposition de courte durée à des niveaux élevés de rayonnement infrarouge peut provoquer des lésions thermiques de la rétine de l'œil. Une exposition à long terme à de fortes doses de rayonnement infrarouge peut induire la cataracte du souffleur de verre. L'inconfort thermique causé par le système d'éclairage à incandescence est depuis longtemps une gêne dans l'industrie de la santé, car les lampes de travail chirurgicales conventionnelles et les lampes opératoires dentaires utilisent des sources de lumière incandescente pour produire une lumière avec une fidélité des couleurs élevée. Le faisceau de haute intensité produit par ces luminaires délivre une grande quantité d'énergie thermique qui peut rendre les patients très inconfortables.
Inévitablement, la discussion sur la sécurité photobiologique se concentre souvent sur le danger de la lumière bleue, qui fait référence à un dommage photochimique de la rétine résultant d'une exposition aux rayonnements à des longueurs d'onde principalement comprises entre 400 nm et 500 nm. Une idée fausse courante est que les LED peuvent être plus susceptibles de causer un danger lié à la lumière bleue, car la plupart des LED blanches converties au phosphore utilisent une pompe à LED bleue. Le DOE et l'IES ont clairement indiqué que les produits LED ne sont pas différents des autres sources lumineuses qui ont la même température de couleur en ce qui concerne le danger de la lumière bleue. Les LED converties au phosphore ne présentent pas un tel risque, même selon des critères d'évaluation stricts.
13. Effet de rayonnement
Les LED produisent de l'énergie rayonnante uniquement dans la partie visible du spectre électromagnétique d'environ 400 nm à 700 nm. Cette caractéristique spectrale donne aux lumières LED un avantage d'application précieux par rapport aux sources lumineuses qui produisent de l'énergie rayonnante en dehors du spectre de la lumière visible. Le rayonnement UV et IR des sources lumineuses traditionnelles pose non seulement des risques photobiologiques, mais entraîne également une dégradation des matériaux. Le rayonnement UV est extrêmement dommageable pour les matériaux organiques car l'énergie photonique du rayonnement dans la bande spectrale UV est suffisamment élevée pour produire des voies directes de scission de liaison et de photooxydation. La perturbation ou la destruction du chromophore qui en résulte peut entraîner une détérioration et une décoloration du matériau. Les applications muséales exigent que toutes les sources lumineuses qui génèrent des UV supérieurs à 75 uW/lm soient filtrées afin de minimiser les dommages irréversibles aux œuvres d'art. L'IR n'induit pas le même type de dommages photochimiques que le rayonnement UV, mais peut néanmoins contribuer aux dommages. L'augmentation de la température de surface d'un objet peut entraîner une accélération de l'activité chimique et des changements physiques. Le rayonnement IR à haute intensité peut provoquer le durcissement de la surface, la décoloration et la fissuration des peintures, la détérioration des produits cosmétiques, le dessèchement des légumes et des fruits, la fonte du chocolat et des confiseries, etc.
14. Sécurité incendie et explosion
Les risques d'incendie et d'exposition ne sont pas une caractéristique des systèmes d'éclairage à LED car une LED convertit l'énergie électrique en rayonnement électromagnétique par électroluminescence dans un boîtier semi-conducteur. Cela contraste avec les technologies héritées qui produisent de la lumière en chauffant des filaments de tungstène ou en excitant un milieu gazeux. Une panne ou un fonctionnement incorrect peut entraîner un incendie ou une explosion. Les lampes aux halogénures métalliques sont particulièrement sujettes aux risques d'explosion car le tube à arc en quartz fonctionne à haute pression (520 à 3 100 kPa) et à très haute température (900 à 1 100 degrés). Les défaillances non passives du tube à arc causées par les conditions de fin de vie de la lampe, par des défaillances du ballast ou par l'utilisation d'une mauvaise combinaison lampe-ballast peuvent provoquer la rupture de l'ampoule extérieure de la lampe aux halogénures métalliques. Les fragments de quartz chauds peuvent enflammer des matériaux inflammables, des poussières combustibles ou des gaz/vapeurs explosifs.
15. Communication par lumière visible (VLC)
Les LED peuvent être allumées et éteintes à une fréquence plus rapide que l'œil humain ne peut détecter. Cette capacité de commutation marche/arrêt invisible ouvre une nouvelle application pour les produits d'éclairage. La technologie LiFi (Light Fidelity) a reçu une attention considérable dans l'industrie des communications sans fil. Il exploite les séquences "ON" et "OFF" de LED pour transmettre des données. Par rapport aux technologies de communication sans fil actuelles utilisant les ondes radio (par exemple, Wi-Fi, IrDA et Bluetooth), le LiFi promet une bande passante mille fois plus large et une vitesse de transmission nettement plus élevée. Le LiFi est considéré comme une application IoT attrayante en raison de l'omniprésence de l'éclairage. Chaque lumière LED peut être utilisée comme point d'accès optique pour la communication de données sans fil, tant que son pilote est capable de transformer le contenu diffusé en continu en signaux numériques.
16. Éclairage CC
Les LED sont des dispositifs basse tension alimentés en courant. Cette nature permet à l'éclairage LED de tirer parti des réseaux de distribution à courant continu (CC) basse tension. Il existe un intérêt croissant pour les systèmes de micro-réseaux à courant continu qui peuvent fonctionner soit indépendamment, soit en conjonction avec un réseau électrique standard. Ces petits réseaux électriques offrent des interfaces améliorées avec les générateurs d'énergies renouvelables (solaire, éolien, pile à combustible, etc.). L'alimentation CC disponible localement élimine le besoin de conversion d'alimentation CA-CC au niveau de l'équipement, ce qui implique une perte d'énergie substantielle et constitue un point de défaillance courant dans les systèmes LED alimentés en CA. L'éclairage LED à haut rendement améliore à son tour l'autonomie des batteries rechargeables ou des systèmes de stockage d'énergie. Alors que la communication réseau basée sur IP prend de l'ampleur, l'alimentation par Ethernet (PoE) est apparue comme une option de micro-réseau à faible puissance pour fournir une alimentation CC basse tension sur le même câble qui fournit les données Ethernet. L'éclairage LED présente des avantages évidents pour tirer parti des atouts d'une installation PoE.
17. Fonctionnement à basse température
L'éclairage LED excelle dans les environnements à température froide. Une LED convertit la puissance électrique en puissance optique par électroluminescence par injection qui est activée lorsque la diode semi-conductrice est polarisée électriquement. Ce processus de démarrage ne dépend pas de la température. La basse température ambiante facilite la dissipation de la chaleur résiduelle générée par les LED et les exempte ainsi de statisme thermique (réduction de la puissance optique à des températures élevées). En revanche, le fonctionnement à basse température est un grand défi pour les lampes fluorescentes. Pour démarrer la lampe fluorescente dans un environnement froid, une haute tension est nécessaire pour démarrer l'arc électrique. Les lampes fluorescentes perdent également une quantité substantielle de leur puissance lumineuse nominale à des températures inférieures au point de congélation, tandis que les lampes à LED fonctionnent au mieux dans des environnements froids, même jusqu'à -50 degrés. Les lampes à LED sont donc parfaitement adaptées pour une utilisation dans les congélateurs, les réfrigérateurs, les entrepôts frigorifiques et les applications extérieures.
18. Impact environnemental
Les lampes à LED produisent nettement moins d'impacts sur l'environnement que les sources d'éclairage traditionnelles. Une faible consommation d'énergie se traduit par de faibles émissions de carbone. Les LED ne contiennent pas de mercure et créent ainsi moins de complications environnementales en fin de vie. En comparaison, l'élimination des lampes fluorescentes et HID contenant du mercure implique l'utilisation de protocoles stricts d'élimination des déchets.
Inconvénients et défis de l'éclairage LED
Ne soyez pas enthousiasmé par la richesse des avantages offerts par l'éclairage LED. Bien que cette technologie soit sans aucun doute une réalisation marquante dans l'histoire de l'éclairage électrique, elle pose elle-même des problèmes. L'industrie de l'éclairage est confrontée à un défi d'une ampleur qu'elle n'a jamais eu à relever auparavant. L'éclairage à semi-conducteurs a modifié la philosophie de la conception et de l'ingénierie. Les systèmes d'éclairage ne sont plus des illuminants stupides, ils ont évolué vers l'électronique de puissance. En d'autres termes, la conception des systèmes d'éclairage est d'une complexité sans précédent. Les LED sont des sources lumineuses à semi-conducteurs auto-échauffantes, sensibles au courant et très lumineuses. Cela donne lieu à la plus grande préoccupation de l'éclairage LED : les performances et la fiabilité d'un système LED dépendent fortement d'un travail multidimensionnel. Les métriques du package LED ne sont qu'un aspect de la conception holistique et de l'ingénierie système d'un système d'éclairage LED. De nombreux autres facteurs interdépendants entrent en jeu, notamment la gestion thermique, la régulation du courant d'entraînement et le contrôle optique.
Les experts en fauteuil dressent souvent une longue liste d'inconvénients pour l'éclairage LED. Et pour rendre l'histoire sensationnelle, ils n'oublieraient jamais de mentionner que l'éclairage LED peut induire des dangers liés à la lumière bleue. La lumière blanche est essentiellement un mélange de longueurs d'onde de différentes bandes de couleurs. Tous les blancs ayant la même apparence de couleur, quelles que soient les sources lumineuses à partir desquelles la lumière est émise, ont à peu près la même proportion de longueurs d'onde bleues dans le spectre visible. L'apparence de couleur de la lumière blanche peut être caractérisée comme ayant une température de couleur corrélée (CCT). La teneur en bleu d'une source lumineuse correspond généralement à son CCT. Plus le CCT est élevé, plus la proportion de longueurs d'onde bleues est élevée. Dans les mêmes conditions de luminance et d'éclairement, le rayonnement bleu d'un produit LED 3000 K est aussi faible que celui d'une lampe à incandescence 3000 K, et le rayonnement bleu d'un produit LED 6000 K est aussi élevé que celui d'une lampe fluorescente 6000 K. Comme avec d'autres sources lumineuses, le danger de la lumière bleue est rarement un problème pour les LED blanches. La capacité de concevoir la composition spectrale de la lumière blanche est un énorme avantage de la technologie LED. Avec l'éclairage LED, toute composition spectrale de lumière qui contribue positivement à la santé et au bien-être humains peut être produite. L'éclairage centré sur l'humain, une tendance technologique majeure qui stimule la croissance de l'industrie de l'éclairage, exploite la capacité de réglage CCT des systèmes LED pour ajuster la quantité de rayonnement bleu pour un spectre sain de lumière blanche.
En fait, l'éclairage LED ne présente que quelques inconvénients intrinsèques.
La faiblesse la plus connue de l'éclairage LED est que les LED produisent un sous-produit : la chaleur. Les LED sont appelées appareils chauffants parce qu'elles génèrent de la chaleur dans le boîtier de l'appareil, plutôt que de rayonner de la chaleur sous forme d'énergie infrarouge. Environ la moitié de l'énergie électrique fournie à une LED est convertie en chaleur, qui doit être conduite et convectée par un chemin thermique physique. Le fait de ne pas maintenir la température de jonction du dispositif en dessous d'une limite définie peut accélérer la cinétique des mécanismes de défaillance tels que la génération et la croissance de défauts atomiques dans la région active de la diode, la carbonisation et le jaunissement de l'encapsulant et la décoloration du boîtier en plastique. Au-delà de la température de jonction nominale maximale, la durée de vie d'une LED sera réduite de 30 à 50 % pour chaque augmentation de 10 °C de la température de jonction.
La plus méconnue, et aussi la plus grande faiblesse de l'éclairage LED est que les LED sont de l'électronique de puissance délicate. Ils sont extrêmement pointilleux au sujet de leur courant alimentaire. Pour les LED, leur haute sensibilité au courant direct est une épée à double tranchant. Il donne aux systèmes d'éclairage une contrôlabilité supérieure, mais rend également la régulation du courant d'entraînement extrêmement difficile. Une très petite variation du courant d'entraînement entraînera une fluctuation de la sortie lumineuse. Les LED sont des appareils alimentés en courant continu, mais ils doivent souvent être alimentés par une source d'alimentation en courant alternatif. La suppression incomplète de la forme d'onde alternative après redressement peut entraîner une ondulation résiduelle (variation périodique résiduelle) dans la sortie de courant du pilote vers les LED. Cette ondulation fait scintiller les LED à deux fois la fréquence de la tension de ligne entrante, c'est-à-dire 100 Hz ou 120 Hz. L'interdépendance électrique et thermique des LED ajoute également de la complexité à la régulation de la charge. Lorsque la température de jonction augmente, la tension directe diminue, la puissance électrique fournie à la LED est également réduite. D'autre part, plus le courant d'attaque est élevé, plus la chaleur résiduelle générée au niveau de la puce semi-conductrice est importante. Une surcharge pour laquelle une LED est conçue peut entraîner une défaillance précoce de la LED en raison d'un emballement thermique. Néanmoins, la menace la plus dommageable pour les LED provient des surtensions électriques (EOS). Un EOS se produit lorsque le courant ou la tension du variateur dépasse les valeurs nominales maximales des composants. Il existe de nombreuses sources possibles de surtensions électriques, notamment les décharges électrostatiques (ESD), les courants d'appel ou d'autres types de surtensions transitoires. La vulnérabilité des LED à divers types de contraintes électriques nécessite donc une régulation stricte du courant de commande.
Un troisième inconvénient est que les LED ont une densité de flux élevée. Les sources lumineuses concentrées de lumière directionnelle peuvent potentiellement créer un éblouissement. Des luminances élevées dans le champ de vision gênent la vision (éblouissement de handicap) ou provoquent une sensation d'irritation ou de douleur (éblouissement d'inconfort). Des optiques supplémentaires pour atténuer l'éblouissement peuvent être incorporées dans la conception des luminaires, mais elles entraînent souvent une perte optique élevée.
Enfin et surtout, la complexité accrue de la conception du système entraîne un coût initial plus élevé des produits LED par rapport aux produits d'éclairage traditionnels. Cela fait de l'optimisation des coûts une partie importante du processus de conception des luminaires. Lorsque la pression des coûts l'emporte sur les performances et la fiabilité des produits, une série de problèmes surgit.
